Какие виды потерь существуют в машинах постоянного тока

Потери и кпд машин постоянного тока

В машинах постоянного тока при работе происходит потеря энергии, которая складывается из трех составляющих.
Первой составляющейявляются потери в стали Рст на гистерезис и вихревые токи, возникающие в сердечнике якоря. При вращении якоря машины сталь его сердечника непрерывно перемагничивается. На ее перемагничивание затрачивается мощность, называемая потерями на гистерезис.

Одновременно при вращении якоря в магнитном поле в сердечнике его индуктируются вихревые токи. Потери на гистерезис и вихревые токи, называемые потерями в стали, обращаются в тепло и нагревают сердечник якоря.
Потери в стали зависят от магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря.

Магнитная индукция определяет эдс машины или, иначе, напряжение, а частота перемагничивания зависит от частоты вращения якоря. Поэтому при работе машины постоянного тока в режиме генератора или двигателя потери в стали будут постоянными, не зависящими от нагрузки, если напряжение на зажимах якоря и частота его вращения постоянны.

Потребляемая мощность
P1 = P2 + Pст + Pобм + Pмех = UI + Pст + Pобм + Pмех

и кпд = (UI/(UI + Pст + Pобм + Pмех)) x 100%.

В машинах постоянного тока различают следующие основные виды потерь мощности:

1. Потери мощности в сопротивлениях цепи якоря: ΔР_я = I_я 2 r_я. Как видно, потери мощности ΔР_я зависят от нагрузки машины. Поэтому их называют переменными потерями мощности.

2. Потери мощности в стали ΔР_c, вызванные главным образом вихревыми токами и перемагничиванием магнитопровода якоря при его вращении. Частично эти потери возникают из-за вихревых токов в поверхностном слое полюсных наконечников, вызванных пульсацией магнитного потока при вращении якоря.

КПД машин постоянного тока

где Р₂ — полезная мощность машины (у генератора — это электрическая мощность, отдаваемая приемнику, у двигателя — механическая мощность на валу); Р₁ — подводимая к машине мощность (у генератора — это механическая мощность, сообщаемая ему первичным двигателем, у двигателя — мощность, потребляемая им от источника постоянного тока; если генератор имеет независимое возбуждение, то P₁ включает в себя также мощность, необходимую для питания цепи обмотки возбуждения).

Рис. 9.36. Зависимость КПД машин постоянного тока от полезной мощности

где ΔP — сумма перечисленных выше потерь мощности.

С учетом последнею выражения

Когда машина работает вхолостую, полезная мощность Р₂ равна нулю и η = 0. Характер изменения КПД при увеличении полезной мощности зависит от значения и характера изменения потерь мощности. Примерный график зависимости η (Р₂) приведен на рис. 9.36.

Источник

Потеря энергии двигателя постоянного тока

Во всех двигателях постоянного тока происходит потеря мощности энергии. Мы расскажем с чем это связано, какие бывают виды потерянной энергии, чем опасен пусковой ток и как вычислить КПД двигателей.

Электрическая машина постоянного тока — это приспособление, в котором устанавливается конкретный режим работы, а электрическая энергия является энергией постоянного тока. Устройство данного типа объединяет в себе две части: статор и ротор. Первая составная располагается снаружи, это неподвижная часть устройства, а ротор — внутренняя вращающаяся часть. Запустить в работу электродвигатель намного тяжелее, нежели добиться того, чтобы он продолжал функционировать. Во время работы, устройство не использует всю энергию с пользой. Часть энергии рассеивается в виде тепла, она уже безвозвратно потеряна. Это явление называется потерями мощности или же просто потерями.

Характеристики двигателя постоянного тока

Регулировочные, моментные и скоростные характеристики относятся к рабочим. Рассмотрим подробнее каждую из них. Регулировочная характеристика — зависимость скорости вращения П от тока Iв возбуждения в случае, если ток Iа якоря и напряжение U сети остаются неизменными, т. е. n=f(Iв) при Ia=const и U=const. До того момента, пока сталь магнитопривода машины еще не насыщена, поток изменяется пропорционально току возбуждения. По мере насыщения характеристика доходит до линейной. Этот процесс представлен на схеме.

Скоростные характеристики — это зависимость скорости вращения от полезной мощности. Если ток якоря растет, значит, увеличивается нагрузка на двигатель параллельного возбуждения. В тот же момент увеличивается и падение напряжения в самом якоре. В результате появляется реакция якоря, которая имеет размагничивающее действие.

Моментные характеристики демонстрируют изменение момента при изменении полезной мощности, при этом напряжение сети должно оставаться стабильным. Допустим, что скорость вращения двигателя не будет изменяться от нагрузки на него, в таком случае зависимость момента от полезной мощности на схеме можно бы было представить прямой линией. Но в практике, чем больше нагрузка, тем меньше скорость вращения двигателя, так что характеристика момента повышается. Если речь идет о двигателе последовательного возбуждения, то вид моментной характеристики напоминает собой параболу. Сначала сталь еще не насыщена, но потом по мере ее насыщения, моментная характеристика становится более линейной.

Пусковой ток — это ток, который использует двигатель для запуска. Обычно этот вид тока в раз 6 превышает рабочий ток. И это логично, потому что всегда для запуска двигателя в работу нужно большое количество тока. Этот вид тока, хотя и необходим, но и очень опасен, способный часто создавать проблемы разного характера. Например, перегрузка сети, что часто приводит к тому, что некоторые контакты даже сгорают. Перегрев двигателя — очень распространенная проблема. Перед использованием нужно обязательно ознакомиться с инструкцией, производитель всегда указывает сколько раз можно максимально запустить двигатель на протяжении конкретного периода времени. Важно, что и пусковой ток влияет на все детали и всех участников процесса. Именно в этот момент и появляются разные непредвиденные ситуации: лампочки перестают ярко светить, контроллеры могут просто зависнуть и т.д. Появляется вопрос, как же избежать этого или хотя бы свести нагрузку к минимуму?

Снизить пусковой ток асинхронного двигателя можно следующим образом:

Виды потерь тока в двигателях

Существуют разные виды потерь в зависимости от классификации. Поговорим сначала об основных и добавочных потерях тока в двигателе. Здесь все просто. Основные постоянные потери — результат основных механических и электромагнитных процессов, а добавочные — результат разного рода вторичных явлений. В свою очередь основные потери разделяются на следующие подкатегории: механические, магнитные, электрические. Первых два вида потерь относятся к постоянным.

На сегодняшний день для того, чтобы снизить пусковой ток асинхронного двигателя используют преобразователи частоты, они же частотники.

Для начала немного информации о том, какие составляющие включает в себя потеря энергии. Начнем с потери в стали Рст на гистерезис и вихревые токи. Все это возникает в сердечнике якоря. В момент вращения якоря, сталь в сердечнике постоянно перемагничивается. Для этого процесса нужна мощность, которая и называется потерей на гистерезис. В тот же момент вращения появляются вихревые токи, которые тоже провоцируют потерю энергии. Часто этот вид потери мощности называют еще потерями в стали, зависящими от магнитной индукции. Утраченный ток превращается в тепло и нагревает сердечник якоря. Если устройство функционирует на генераторе, то этот вид потерь будет постоянным, ведь он не зависит от нагрузки на машину.

Теперь поговорим о потерях в меди Робм (токи проходят по проводкам обмоток возбуждения и якоря, нагревая их). Это переменные потери, связанные с током и нагрузками на устройство. И последнее — механические потери Рмех. Здесь не играет значения нагрузка на двигатель, соответственно они тоже являются постоянными, которые легко поддаются вычислению. Существует еще такое понятие, как суммарные потери в двигателях. Это не что иное, как сумма всех потерь. Вычисляется очень легко с помощью формулы pΣ = pмх + pмн + pэл + pд.

Механические потери

Механические потери присутствуют при каждом использовании двигателя, их невозможно избежать. Относятся к основынм видам потерь и легко вычисляются с помощью специальных формул. Потери в подшипниках, трение щеток о коллектор и вентиляционные потери – все это относится к механическим.

Если речь идет о подшипниках, то здесь важную роль играет их тип, состояние трудящихся поверхностей, какая смазка используется и так далее. Потери такого рода не зависят от нагрузок на машину, а исключительно от скорости вращения. Потери на вентиляцию тесно связаны с ее типом и конструкцией устройства. Определить общую сумму механических потерь можно из опыта холостого хода агрегата. Просто нужно запустить устройство в режиме двигателя, вся энергия, которая будет расходоваться пойдет на покрытие этих потерь.

Электрические потери

Этот вид потерь появляется как результат нагрева обмоток и щеточного контакта. Он относится к переменным, потому что напрямую зависит от нагрузки, которое получает устройство.

Добавочные потери

Как же упоминалось выше, в машинах постоянного тока существуют еще добавочные потери (вихревые токи в меди обмоток, в стали якоря, когда нагрузка распределяется неравномерно, полюсные наконечники и другие). Как правило, добавочные потери не являются мощными. Они вызваны вторичными явлениями, не являются постоянными и не всегда легко поддаются вычислению. Формулы для подсчета очень сложные и не гарантируют точных результатов. Определить такой тип потерь экспериментально тоже не так то просто. Именно поэтому было принято решение для машин без компенсационной обмотки считать добавочные потери равными 1% от полезной мощности. А для устройств с компенсационной обмоткой этот показатель будет равным 0,5%. Механическая мощность на валу машины в основном покрывает все добавочные потери тока.

Поперечная реакция якоря может влиять и искажать кривую магнитного поля в воздушном зазоре. Это приводит к неравномерному распределению магнитного потока по сечению спинки и зубцам якоря. То есть индукция с одной стороны якоря уменьшается, а с другой наоборот увеличивается. В результате возникают магнитные потери энергии. Коммутация также влияет на потери тока в машинах. Когда потоки рассеивания коммутируемых секций изменяются, то проводники обмотки индуктируют вихревые токи.

КПД двигателей постоянного тока

Коэффициент полезного действия (КПД) один из самых важных показателей двигателей постоянного тока. Чем больше этот показатель, тем меньше мощность и ток, которые использует двигатель. Проектирование и подготовка двигателей к работе происходит с расчетом, чтобы максимальное КПД было примерно такое же, как и номинальная мощность. Если механические потери мощности не зависели от нагрузки, то КПД двигателя зависит именно от этого показателя. Следовательно, если двигатель работает в холостую, то КПД двигателей постоянного тока равно нулю. Добавляя нагрузки на двигатель, мы поднимаем его КПД, а максимальной точки этот показатель достигает в момент равенства постоянных потерь и потерь, зависящих от потребляемого тока.

Рассмотрим показатели КПД в двигателей разного типа. Например, номинальная нагрузка на двигатель постоянного тока приводит к тому, что его КПД составляет от 75%. У двигателей мощностью 100 кВт КПД достигает даже 92%. А для машин мощностью от 5 до 50 Вт h = 0,15¸0,50.

Есть два способа определить КПД двигателя: а) метод непосредственной нагрузки по ре­зультатам измерений подведенной Р1и отдаваемой Р2 мощностей (удобно использовать только для устройств с малой мощностью); б) косвенный метод по результатам измерений потерь (для всех типов машин и считается самым точным.

Обратимость машин постоянного тока повышает экономичность энергосистемы, благодаря рекуперации тока. Это явление можно объяснить на простом примере электропоезда. Чтобы поезд разогнался и мог продолжать свое движение, его двигатели используют сетевую электрическую энергию. Когда же поезд начинает тормозить, двигатели мгновенно переходят в генераторный режим, таким образом, кинетическая энергия поезда преобразовывается в электрическую, которая в свою очередь снова возвращается в сеть. Поезд останавливается. Это и есть рекуперация электрического тока.

Источник

Потери в машине постоянного тока

Общие положения

При работе электрической машины часть потребляемой ею энергии теряется бесполезно и рассеивается в виде тепла. Мощность потерянной энергии называют потерями мощности или просто потерями.

Потери в электрических машинах подразделяются на основные и добавочные. Основные потери возникают в результате происходящих в машине основных электромагнитных и механических процессов, а добавочные потери обусловлены различными вторичными явлениями. Во вращающихся электрических машинах основные потери подразделяются на 1) механические потери, 2) магнитные потери, или потери в стали, и 3) электрические потери.

К электрическим потерям относятся потери в обмотках, которые называют также потерями в меди, хотя обмотки не всегда изготавливаются из меди; потери в регулировочных реостатах и потери в переходном сопротивлении щеточных контактов.

Рассматриваемые в данной теме вопросы большей частью являются общими для машин постоянного и переменного тока.

Механические потери

Механические потери p_мх состоят из 1) потерь в подшипниках, 2) потерь на трение щеток о коллектор или контактные кольца и 3) вентиляционных потерь, которые включают в себя потери на трение частей машины о воздух и другие потери, связанные с вентиляцией машины (мощность кинетической энергии отходящего воздуха и потери в вентиляторе). В ряде случаев электрические машины охлаждаются не воздухом, а водородом или водой, и соответствующие потери также относят к вентиляционным.

Потери в подшипниках p_подш вычисляют по соотношениям, которые рассматриваются в курсах деталей машин и проектирования электрических машин. Эти потери зависят от типа подшипников (качения или скольжения), от состояния трущихся поверхностей, вида смазки и так далее. Важно подчеркнуть, что при работе данной машины эти потери зависят только от скорости вращения и не зависят от нагрузки.

Потери на трение щеток могут быть вычислены по формуле

где k_тр – коэффициент трения щеток о коллектор или контактные кольца (k_тр = 0,15 – 0,3); f_щ – удельное (на единицу площади) давление на щетку; S_щ – контактная поверхность всех щеток; v_к – окружная скорость коллектора или контактных колец.

Потери на вентиляцию p_вент зависят от конструкции машины и рода вентиляции. Подробности расчета этих потерь рассматриваются в курсах проектирования электрических машин. В случае если вентиляция осуществляется не встроенным в машину, а отдельно стоящим вентилятором, потери на вентиляцию машины включают в себя потребляемую мощность привода вентилятора.

В самовентилируемых машинах со встроенным центробежным вентилятором потери на вентиляцию в ваттах иногда вычисляются приближенно по следующей эмпирической формуле:

где Q – количество воздуха, прогоняемого через машину, м³/с; v – окружная скорость вентиляционных крыльев по их внешнему диаметру, м/с.

Так как Q также пропорционально v, то из выражения (2) следует, что потери p_вент пропорциональны третьей степени скорости вращения машины.

Общие механические потери

Как следует из изложенного, в каждой данной машине потери p_мх зависят только от скорости вращения и не зависят от нагрузки. В машинах постоянного тока мощностью 10 – 500 кВт потери p_мх составляют соответственно 2 – 0,5% от номинальной мощности машины.

Магнитные потери

Магнитные потери p_мг включают в себя потери на гистерезис и вихревые токи, вызванные перемагничиванием сердечников активной стали. Для вычисления этих потерь сердечник подразделяется на части, в каждой из которых магнитная индукция постоянна. Например, в машинах постоянного тока вычисляются отдельно потери в сердечнике якоря

Здесь p_1,0/50 и p_1,5/50 – удельные потери в стали на единицу массы при частоте f = 50 Гц и индукциях соответственно B = 1,0 Т и B = 1,5 Т; B_а и B_z – средние значения индукции в спинке якоря и зубцах; G_са и G_cz – массы стали спинки якоря и зубцов; k_да и k_дz – коэффициенты, учитывающие увеличение потерь вследствие обработки стали (наклеп при штамповке, замыкание листов в пакете), из-за неравномерности распределения индукции и несинусоидальности закона изменения индукции во времени.

В машинах постоянного тока можно принять k_да = 3,6 и k_дz = 4,0.

К магнитным потерям относят также такие добавочные потери, которые зависят от значения основного потока машины (потока полюсов) и вызваны зубчатым строением сердечников. Эти потери иногда называют также добавочными потерями холостого хода, так как они существуют в возбужденной машине уже при холостом ходе.

К указанным потерям в машинах постоянного тока относятся прежде всего поверхностные потери p_пов в полюсных наконечниках, обусловленные зубчатостью якоря. Ввиду наличия зубцов и пазов на вращающемся якоре магнитная индукция в каждо точке поверхности полюсного наконечника пульсирует (смотрите рисунок 1) с частотой

будучи максимальной, когда против рассматриваемой точки находится зубец якоря, и минимальной, когда против этой точки находится паз якоря. Вследствие этого в полюсных наконечниках индуктируются вихревые токи, причем они протекают только в тонком поверхностном слое, так как f_z имеет порядок тысячи и более герц. Эти потери зависят от 1) величины пульсации, которая больше при открытых пазах на якоре, 2) частоты пульсаций f_z и 3) толщины листов стали полюсов и степени их изолированности друг от друга на поверхности наконечника полюса.

Если пазы имеются также в полюсных наконечниках машины постоянного тока (при наличии компенсационной обмотки), то в зубцах якоря и полюсах в результате их взаимного перемещения возникают пульсации магнитного потока. Потоки в зубцах максимальны, когда зубец якоря расположен против зубца полюса, и минимальны, когда против зубца расположен паз. Частота этих пульсаций также велика. При этом возникают пульсационные потери p_пульс в зубцах и поверхностные потери также на внешней поверхности якоря.

Подобные же поверхностные и пульсационные потери, вызванные зубчатым строением сердечников и зависящие от основного магнитного потока, возникают также в машинах переменного тока. Потери p_пов и p_пульс вычисляются по формулам, которые приводятся в курсах проектирования электрических машин.

К добавочным потерям холостого хода относятся также потери, которые возникают в проволочных бандажах, обмоткодержателях и в других деталях при вращении в магнитном поле полюсов.

Общие магнитные потери

Электрические потери

Электрические потери p_эл в каждой обмотке вычисляют по формуле p_эл = I² × r. Сопротивление обмотки зависит от температуры. Поэтому ГОСТ 25941-83 предусматривает определение потерь в обмотках при приведении их к рабочей температуре (75°C для классов обмоток A, E и B и 115°C для классов F и H). В нормальных машинах постоянного тока имеются две электрические цепи: цепь якоря и цепь возбуждения. Поэтому обычно рассматривают потери в цепи якоря p_эл.а и в цепи возбуждения p_эл.в.

Потери в обмотках можно выразить также через плотность тока в обмотке j и массу обмотки (без изоляции) G. Действительно,

где l – общая длина проводников обмотки; s – сечение проводника; γ – плотность проводника; ρ – удельное сопротивление.

Например, для меди γ = 8,9 г/см³ и при 75°C ρ = 1/4600 Ом×мм ²/см. Если выразить, далее, j в А/мм², то получим

Таким образом, формула (7) определяет потери в ваттах в медной обмотке массой G кг при 75°C и при плотности тока j А/мм².

К электрическим потерям относят также потери в регулировочных реостатах и потери в переходных сопротивлениях щеточных контактов. Потери в переходных сопротивлениях щеточных контактов для щеток одной полярности вычисляются по формуле

где ΔU_щ – падение напряжения на один щеточный контакт. Так как ΔU_щ зависит сложным образом от разных величин и факторов, то для упрощения расчетов, согласно ГОСТ 11828-86, «Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний», принимается для угольных и графитовых щеток ΔU_щ = 1 В и для металлоугольных щеток ΔU_щ = 0,3 В.

Добавочные потери

Добавочные потери p_д. К этой группе относят потери, вызванные различными вторичными явлениями при нагрузке машины. Поэтому указанные потери, зависящие от тока нагрузки, называют иногда также добавочными потерями при нагрузке.

В машинах постоянного тока одна часть рассматриваемых потерь возникает вследствие искажения кривой магнитного поля в воздушном зазоре при нагрузке под влиянием поперечной реакции якоря. В результате этого магнитный поток распределяется по зубцам и сечению спинки якоря неравномерно: с одного края полюсного наконечника индукция в зубцах и спинке якоря уменьшается, а с другого края увеличивается. Такое неравномерное распределение потока вызывает увеличение магнитных потерь, подобно тому как неравномерное распределение тока в проводнике (например, в результате поверхностного эффекта) вызывает увеличение электрических потерь. Вследствие такого неравномерного распределения потока увеличиваются также поверхностные потери в полюсных наконечниках. При наличии компенсационной обмотки рассмотренная часть добавочных потерь практически отсутствует.

Другая часть добавочных потерь в машинах постоянного тока связана с коммутацией. При изменении во времени потоков рассеяния коммутируемых секций (смотрите рисунок 2) в проводниках обмотки индуктируются вихревые токи. Добавочный ток коммутации также вызывает дополнительные потери. Существуют также другие причины возникновения добавочных потерь (вихревые токи в крепежных деталях и тому подобное).

Вследствие сложной природы добавочных потерь формулы для их вычисления получаются сложными и, кроме того, не особенно точными. Экспериментальное определение этих потерь также затруднительно. Поэтому на практике добавочные потери чаще всего оценивают на основе опытных данных в виде определенного процента от номинальной мощности. Согласно ГОСТ 11828-86, эти потери для машин постоянного тока при номинальной нагрузке принимаются: при отсутствии компенсационной обмотки равными 1,0% и при наличии компенсационной обмотки равными 0,5% от отдаваемой мощности для генератора и подводимой мощности двигателя. Для других нагрузок эти потери пересчитываются пропорционально квадрату тока нагрузки.

Все виды добавочных потерь, не связанные непосредственно с электрическими процессами в цепях обмоток машины, покрываются за счет механической мощности на валу машины.

Суммарные, или полные потери

Суммарные, или полные потери p_Σ представляют собой сумму всех потерь:

В качестве иллюстрации в таблице 1 приводятся данные о потерях в машине постоянного тока при номинальной нагрузке.

Потери в генераторе постоянного тока 500 кВт, 460 В, 375 об/мин.

Источник