Электрические потери в генераторе 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.

Ковторой составляющей относятся потери энергии на нагревание проводов обмоток возбуждения и якоря проходящими по ним токами, называемые потерями в меди, — Робм.
Потери в обмотке якоря и в щеточных контактах зависят от тока в якоре, т. е. являются переменными — меняются при изменениях нагрузки.

Третья составляющая — механические потери Рмех, представляющие собой потери энергии на трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и щеток о коллектор. Эти потери зависят от частоты вращения якоря машины. Поэтому механические потери также постоянны, не зависят от нагрузки.
Кпд машины в процентах:
= P2/P1 x 100%
гдеР2 — полезная мощность; Р1 — потребляемая машиной мощность.

При работе машины генератором полезная мощность P2 = UI,
где U — напряжение на зажимах генератора; I — ток в нагрузке.

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

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

При работе машины двигателем потребляемая мощность
P1 = UI,
где U— напряжение питающей сети;I — ток, потребляемый двигателем из сети.

Полезная мощность
P2 = P1 — Pст — Pобм — Pмех = UI — Pст — Pобм — Pмех
и кпд
= ((UI — Pст — Pобм — Pмех)/UI) x 100%.

ИЛИ

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.

3. Механические потери мощности ΔР_мех , причиной которых является трение в подшипниках, щеток о коллектор, вращающихся частей о воздух.

Потери ΔР_с, ΔР_мех , ΔР_в при изменении нагрузки машин меняются незначительно, вследствие чего их называют постоянными потерями мощности.

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.

При увеличении полезной мощности КПД сначала возрастает при некотором значении Р₂, достигает наибольшего значения, а затем уменьшается. Последнее объясняется значительным увеличением переменных потерь, пропорциональных квадрату тока. Машины рассчитывают обычно таким образом, чтобы наибольшее значение КПД находилось в области, близкой к номинальной мощности Р_2ном . Номинальное значение КПД машин мощностью от 1 до 100 кВт лежит примерно в пределах от 0,74 до 0,92 соответственно.

Генераторы постоянного тока

Принцип действия генератора постоянного тока

Работа генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется э д. с.

Одной из основных частей машины постоянного тока является магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь машины постоянного тока (рис. 1) состоит из неподвижной части — статора 1 и вращающейся части — ротора 4. Статор представляет собой стальной корпус, к которому крепятся другие детали машины, в том числе магнитные полюсы 2. На магнитные полюсы насаживается обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током и создающая основной магнитный поток Ф0.

Рис. 1. Магнитная цепь машины постоянного тока с четырьмя полюсами

Рис. 2. Листы, из которых набирают магнитную цепь ротора: а — с открытыми пазами, б — с полузакрытыми пазами

Ротор машины набирают из стальных штампованных листов с пазами по окружности и с отверстиями для вала и вентиляции (рис. 2). В пазы (5 на рис. 1) ротора закладывается рабочая обмотка машины постоянного тока, т. е. обмотка, в которой основным магнитным потоком индуцируется э. д. с. Эту обмотку называют обмоткой якоря (поэтому ротор машины постоянного тока принято называть якорем).

Значение э. д. с. генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока показан на рис. 3.

Полюсы постоянного магнита создают магнитный поток. Представим, что обмотка якоря состоит из одного витка, концы которого присоединены к различным полукольцам, изолированным друг от друга. Эти полукольца образуют коллектор, который вращается вместе с витком обмотки якоря. По коллектору при этом скользят неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется э. д. с

где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток и в них индуцируется максимальное значение э. д. с. Когда виток занимает горизонтальное положение, э. д. с. в проводниках равна нулю.

Направление э. д. с. в проводнике определяется по правилу правой руки (на рис. 3 оно показано стрелками). Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление э. д. с. в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается коллектор, а щетки неподвижны, то с верхней щеткой всегда соединен проводник, находящийся под северным полюсом, э. д. с. которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению э. д. с. на щетках — е_щ (рис. 4).

Рис. 3. Простейший генератор постоянного тока

Рис. 4. Изменение во времени э.д.с. простейшего генератора постоянного тока

Хотя э. д. с. простейшего генератора постоянного тока постоянна по направлению, по значению она изменяется, принимая за один оборот витка два раза максимальное и два раза нулевое значения. Э. д. с. с такой большой пульсацией непригодна для большинства приемников постоянного тока и в строгом смысле слова ее нельзя назвать постоянной.

Для уменьшения пульсаций обмотку якоря генератора постоянного тока выполняют из большого числа витков (катушек), а коллектор — из большого числа коллекторных пластин, изолированных друг от друга.

Рассмотрим процесс сглаживания пульсаций на примере обмотки кольцевого якоря (рис. 5), состоящей из четырех катушек (1, 2, 3, 4), по два витка в каждой. Якорь вращается по направлению часовой стрелки с частотой n и в проводниках обмотки якоря, расположенных на внешней стороне якоря, индуцируется э. д. с. (направление показано стрелками).

Обмотка якоря представляет собой замкнутую цепь, состоящую из последовательно соединенных витков. Но относительно щеток обмотка якоря представляет собой две параллельные ветви. На рис. 5, а одна параллельная ветвь состоит из катушки 2, вторая — из катушки 4 (в катушках 1 и 3 э. д. с. не индуцируется, и они обеими концами соединены с одной щеткой). На рис. 5, б якорь показан в положении, которое он занимает через 1/8 оборота. В этом положении одна параллельная ветвь обмотки якоря состоит из последовательно включенных катушек 1 и 2, а вторая — из последовательно включенных катушек 3 и 4.

Рис. 5. Схема простейшего генератора постоянного тока с кольцевым якорем

Каждая катушка при вращении якоря по отношению к щеткам имеет постоянную полярность. Изменение э. д. с. катушек во времени при вращении якоря показано на рис. 6, а. Э. д. с. на щетках равна э. д. с. каждой параллельной ветви обмотки якоря. Из рис. 5 видно, что э. д. с. параллельной ветви равна или э. д. с. одной катушки, или сумме э. д. с. двух соседних катушек:

В результате этого пульсации э. д. с. обмотки якоря заметно уменьшаются (рис. 6, б). При увеличении числа витков и коллекторных пластин можно получить практически постоянную э. д. с. обмотки якоря.

Конструкция генераторов постоянного тока

В процессе технического прогресса в электромашиностроении конструктивный вид машин постоянного тока изменяется, хотя основные детали остаются теми же.

Рассмотрим устройство одного из типов машин постоянного тока, выпускаемых промышленностью. Как указывалось, основными частями машины являются статор и якорь. Статор 6 (рис 7), изготовленный в виде стального цилиндра, служит как для крепления других деталей, так и для защиты от механических повреждений и является неподвижной частью магнитной цепи.

К статору крепятся магнитные полюсы 4, которые могут представлять собой постоянные магниты (у машин малой мощности) или электромагниты. В последнем случае на полюсы насаживается обмотка возбуждения 5, питаемая постоянным током и создающая неподвижный относительно статора магнитный поток.

При большом числе полюсов их обмотки включают параллельно или последовательно, но так, чтобы северный и южный полюсы чередовались (см. рис. 1). Между главными полюсами располагаются добавочные полюсы со своими обмотками. К статору крепятся подшипниковые щиты 7 (рис. 7).

Якорь 3 машины постоянного тока набирается из листовой стали (см. рис. 2) для уменьшения потерь мощности и от вихревых токов. Листы изолируются друг от друга. Якорь является подвижной (вращающейся) частью магнитопровода машины. В пазы якоря укладывается обмотка якоря, или рабочая обмотка 9.

Рис. 6. Изменение во времени э.д.с катушек и обмотки кольцевого якоря

В настоящее время выпускаются машины с якорем и обмоткой барабанного типа. Рассмотренная ранее обмотка кольцевого якоря имеет недостаток, заключающийся в том, что э. д. с. индуцируется только в проводниках, расположенных на внешней поверхности якоря. Следовательно, активными являются только половина проводников. В обмотке барабанного якоря все проводники — активные, т. е. для создания той же э. д. с, что и в машине с кольцевым якорем, требуется почти в два раза меньше проводникового материала.

Расположенные в пазах проводники обмотки якоря соединяются между собой лобовыми частями витков. В каждом пазу обычно располагается несколько проводников. Проводники одного паза соединяются с проводниками другого паза, образуя последовательное соединение, называемое катушкой или секцией. Секции соединяются последовательно и образуют замкнутую цепь. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы э. д. с. в проводниках, входящих в одну параллельную ветвь, имели одинаковое направление.

На рис. 8 показана простейшая обмотка якоря барабанного типа двухполюсной машины. Сплошными линиями показано соединение секций друг с другом со стороны коллектора, а пунктирными — лобовые соединения проводников с противоположной стороны. От точек соединения секций делаются отпайки к коллекторным пластинам. Направление э. д. с. в проводниках обмотки показано на рисунке: «+» — направление от читателя, «•» — направление на читателя.

Обмотка такого якоря имеет также две параллельные ветви: первая, образованная проводниками пазов 1, 6, 3, 8, вторая — проводниками пазов 4, 7, 2, 5. При вращении якоря сочетание пазов, проводники которых образуют параллельную ветвь, все время изменяется, но всегда параллельная ветвь образуется проводниками четырех пазов, занимающих постоянное положение в пространстве.

Рис. 7. Устройство машины постоянного тока якоря барабанного типа

Рис. 8. Простейшая обмотка

Выпускаемые заводами машины имеют десятки или сотни пазов по окружности барабанного якоря и число коллекторных пластин, равное числу секций обмотки якоря.

Коллектор 1 (см. рис. 7) состоит из медных изолированных друг от друга пластин, которые соединяют с точками соединения секций обмотки якоря, и служит для преобразования переменной э. д. с. в проводниках обмотки якоря в постоянную э. д. с. на щетках 2 генератора или преобразования постоянного тока, подводимого к щеткам двигателя из сети, в переменный ток в проводниках обмотки якоря двигателя. Коллектор вращается вместе с якорем.

При вращении якоря по коллектору скользят неподвижные щетки 2. Щетки бывают графитовые и медно-графитовые. Они крепятся в щеткодержателях, которые допускают поворот на некоторый угол. С якорем соединена крыльчатка 8 для вентиляции.

Классификация и параметры генераторов постоянного тока

В основу классификации генераторов постоянного тока положен вид источника питания обмотки возбуждения. Различают:

1. генераторы с независимым возбуждением, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника (аккумулятора или другого источника постоянного тока). У генераторов малой мощности (десятки ватт) основной магнитный поток может создаваться постоянными магнитами,

2. генераторы с самовозбуждением, обмотка возбуждения которых питается от самого генератора. По схеме соединения обмоток якоря и возбуждения по отношению к внешней цепи бывают: генераторы параллельного возбуждения, у которых обмотка возбуждения включена параллельно с обмоткой якоря (шунтовые генераторы), генераторы последовательного возбуждения, у которых эти обмотки включены последовательно (сериесные генераторы), генераторы смешанного возбуждения, у которых одна обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно (компаундные генераторы).

Номинальный режим генератора постоянного тока определяется номинальной мощностью — мощностью, отдаваемой генератором приемнику, номинальным напряжением на зажимах обмотки якоря, номинальным током якоря, током возбуждения, номинальной частотой вращения якоря. Эти величины обычно указываются в паспорте генератора.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Электрические машины постоянного тока

Cтатистика главы

Количество разделов	3
Количество задач	188

Содержание главы

1. Машины постоянного тока
2. Генераторы постоянного тока
3. Двигатели постоянного тока

Примеры решений задач

Данные примеры задач, относятся к предмету «Электротехника».

Задача #4821

Генератор постоянного тока П51 с параллельным возбуждением имеет следующие паспортные данные: мощность P_ном = 5 кВт, напряжение U_ном = 230 В, частота вращения n_ном = 1450 об/мин, сопротивление цепи якоря R_я = 0,635 Ом, сопротивление обмотки возбуждения R_в = 91 Ом, магнитные и механические потери P_х = 0,052 от номинальной мощности. Определить номинальный ток обмотки якоря, ЭДС обмотки якоря при номинальном режиме, потери электрические, сумму потерь, потребляемую (механическую) мощность, КПД при номинальном режиме работы.

Для определения номинального тока якоря найдем номинальный ток генератора и ток обмотки возбуждения.

Номинальный ток генератора определяем из соотношения

P н о м = U н о м I н о м

I н о м = P н о м U н о м = 5000 230 = 21,74 А

Ток обмотки возбуждения

I в = U н о м R в = 230 91 = 2,52 А

Ток цепи якоря в соответствии с законом Кирхгофа равен сумме токов в цепи нагрузки и обмотки возбуждения:

I я = I н о м + I в = 21,74 + 2,52 = 24,26 А

ЭДС обмотки якоря при номинальном режиме

E = U н о м + I я R я = 230 + 24,26 × 0,635 = 245,4 В

Электрические потери в обмотках:

P я = I я 2 R я = 24,26 2 × 0,635 = 373,7 В т

P в = I в 2 R в = 2,52 2 × 91 = 577,8 В т

Магнитные и механические потери

P м + P м х = 0,052 P н о м = 0,052 × 5000 = 260 В т

Сумма потерь при номинальном режиме

∑ P = P я + P в + P м х = 373,7 + 577,8 + 260 = 1211,5 В т

P 1 = P н о м + ∑ P = 5000 + 1211,5 = 6211,5 В т

КПД при номинальном режиме

η = P н о м P 1 = 5000 6211,5 = 0,805

Ответ: I_я = 24,26 А; E = 245,4 В; P_я = 373,7 Вт; P_в = 577,8 Вт; ∑P = 1211,5 Вт; P₁ = 6211,5 Вт; η = 0,805.

Задача #4822

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением имеет следующие паспортные данные: число пар полюсов p = 2, число витков якоря w = 124, число пар параллельных ветвей a = 2, сопротивление обмотки якоря R_я = 0,04 Ом, ток обмотки возбуждения I_я = 2,0 А, частота вращения n_ном = 2850 об/мин, ЭДС в номинальном режиме E_ном = 234,4 В, номинальный ток I_ном = 108 А, КПД η = 89 %.

Определить мощности электромагнитную, потребляемую и на выводах генератора, сумму потерь, потери электрические, добавочные, механические и магнитные, напряжение при холостом ходе- генератора.

Для определения электромагнитной мощности найдем постоянные генератора, магнитный поток и электромагнитный тормозной момент.

Определяем электрическую и магнитную постоянные машины:

c E = p N 60 a = p 2 w 60 a = 2 × 2 × 124 60 × 2 = 4,13

c M = c E 9,55 = 4,13 × 9,55 = 39,47

Магнитный поток генератора определяем из формулы для ЭДС обмоток якоря:

Φ = E н о м c E n = 234,43 4,13 × 2850 = 0,02 В б

Ток в цепи якоря

I я = I н о м + I в = 108,7 + 2 = 110,7 А

P э м = E я I я = 234,4 × 110,7 = 25951 В т

Напряжение на зажимах генератора при номинальном режиме

U н о м = E я — I я R я = 234,4 — 110,7 × 0,04 = 230 В

Мощность на выходе генератора при номинальном режиме

P н о м = U н о м I н о м = 230 × 108,7 = 25000 В т

Мощность, потребляемая генератором

P 1 = P н о м η = 25000 0,89 = 28090 В т

Сумма потерь при номинальной нагрузке

∑ P = P 1 — P н о м = 28090 — 25000 = 3090 В т

Электрические потери в обмотках якоря и возбуждения

P э = P э я + P э в = I я 2 R я + I в U н о м = 108,7 2 × 0,04 + 2 × 230 = 932 В т

Добавочные потери в соответствии с ГОСТом составляют 1 % от номинальной мощности генератора:

P д = 0,01 P н о м = 0,01 × 25000 = 250 В т

Механические и магнитные потери

P м + P м х = ∑ P — P э + P д = 3090 — 932 + 250 = 2808 В т

Напряжение при холостом ходе генератора

U х = E — I я R я = 234,4 — 2 × 0,04 = 234,32 В

так как нагрузочный ток представляет собой ток обмотки возбуждения.

Ответ: P_эм = 25951 Вт; P_ном = 25000 Вт; P₁ = 28090 Вт; ∑P = 3090 Вт; P_э = 932 Вт; P_д = 250 Вт; P_м + P_мх = 2808 Вт; U_х = 234,32 В.

Задача #4823

Двухполюсный генератор постоянного тока с параллельным возбуждением имеет сопротивление цепи якоря R_я = 0,155 Ом, одну пару параллельных ветвей, N = 500 активных проводников, магнитный поток Φ = 1,97 × 10 — 2 Вб, частоту вращения якоря n_ном = 1450 об/мин. При номинальном токе в цепи нагрузки I_ном = 50 А и токе возбуждения I = 1,7 А КПД η = 0,8

Определить напряжение на зажимах генератора при номинальной нагрузке, электромагнитный момент, подводимую к генератору мощность при номинальной нагрузке и сумму потерь.

ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря, при номинальной частоте вращения

E = c E Φ n н о м = p N 60 a Φ n н о м = 1 × 500 60 × 1 × 0,0197 × 1450 = 238 В

Ток в цепи якоря

I я = I н о м + I в = 50 + 1,7 = 51,7 А

Напряжение на зажимах генератора при номинальной нагрузке

U = E — I я R я = 238 — 51,7 × 0,14 = 230 В

Электромагнитный тормозной момент

M = c M Φ I я = p N 2 π a Φ I я = 1 × 500 2 × 3,14 × 1 × 0,0197 × 51,7 = 81 Н × м

Полезная мощность, отдаваемая генератором в цепь

P 2 н о м = U н о м I н о м = 230 × 50 = 11500 В т

Мощность, подводимая к генератору для его вращения, при номинальной нагрузке

P 1 н о м = P 2 н о м η = 11500 0,85 = 13529 В т

Сумма потерь при номинальной нагрузке

∑ P = P 1 н о м — P 2 н о м = 13529 — 11500 = 2029 В т

Ответ: U = 230 В; M = 81 Н × м; P_1ном = 13529 Вт; ∑P = 2029 Вт.

Задача #4824

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением должен использоваться в системе генератор — двигатель для регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока П12.

Используя данные предыдущей задачи, выбрать генератор для регулирования частоты вращения двигателя П12. Определить пределы регулирования частоты вращения от максимального до минимального значения при холостом ходе и номинальном вращающем моменте.

Для выбора генератора постоянного тока, используемого в системе генератор — двигатель, необходимо учесть, что номинальная мощность генератора должна быть равна или превышать потребляемую мощность двигателя с учетом возникающих перегрузок.

Потребляемая мощность двигателя П12

P 1 = U н о м I н о м = 220 × 5,9 = 1298 В т ≈ 1,3 к В т

Выбираем генератор мощностью не менее 1,3 кВт, напряжением 230 В, с номинальным током не менее 6 А. Этим данным соответствует генератор типа П22, имеющий следующие паспортные данные: мощность P_ном = 1,6 кВт, номинальное напряжение C_ном = 230 В, номинальный ток I_ном = 7 А, номинальная частота вращения n_ном = 2850 об/мин, КПД η = 83,5 %, сопротивление обмотки якоря R_я1 = 1,55 Ом. Определяем общее сопротивление цепи якоря двигателя и генератора (обмотки якоря, генератора и двигателя включены последователь):

R о б щ = R я д в + R я г = 2,0 + 1,55 = 3,55 О м

ЭДС генератора в номинальном режиме

E г = U г н о м + I я г R я г = 230 + 7 × 1,55 = 240,85 В

Напряжение на выходе генератора при номинальной нагрузке двигателя

U г = E — I я д в R о б щ = 240,85 — 5,9 × 3,55 = 220,97 В

что соответствует номинальному режиму двигателя.

Для определения частоты вращения двигателя в различных режимах находим произведение постоянной двигателя на магнитный поток:

c E Φ = E n н о м = U н о м — I н о м R я д в n н о м = 220 — 5,9 × 2,0 3000 = 0,0694 В б

Отсюда максимальная частота вращения двигателя при холостом ходе определяется отношением ЭДС генератора в номинальном режиме к произведению c_EΦ:

n х = E г c E Φ = 240,85 0,0694 = 3458 о б м и н

Минимальную частоту вращения двигателя при холостом ходе определяют по минимальному значению ЭДС генератора, при которой двигатель приходит во вращение. Предположим, что пуск двигателя происходит при полуторакратном значении номинального тока. Отсюда минимальную ЭДС генератора, необходимую для вращения якоря двигателя, определяют по следующему уравнению:

E г m i n = 1,5 I я д в R о б щ = 1,5 × 5,9 × 3,55 = 31,4 В

Минимальная частота вращения двигателя:

— при холостом ходе

n m i n = E г m i n c E Φ = 31,4 0,0694 = 452 о б м и н

— при номинальном моменте

n m i n = E г m i n — I я д в R о б щ c E Φ = 31,4 — 5,9 × 3,55 0,0694 = 150 о б м и н

Следовательно, при изменении напряжения на выходе генератора частота вращения двигателя при холостом ходе изменяется в пределах от 3488 до 452 об/мин и при номинальном моменте на валу двигателя — от 3000 до 150 об/мин.

Выходную мощность генератора при номинальной нагрузке двигателя определяют как произведение выходного напряжения на номинальный ток двигателя:

P г в ы х = U г I я д в = 220,97 × 5,9 = 1303 В т

Мощность, потребляемая генератором при номинальном режиме двигателя

P 1 г в ы х = P г в ы х η = 1303 0,82 = 1590 В т

Для определения мощности двигателя, который приводит во вращение генератор, необходимо учесть возможные нагрузки. Предположим, что они не будут превышать 30 % от номинального тока двигателя П12:

P 1 г = P 2 η = U в ы х 1,3 I я д в η = 220,97 × 1,3 × 5,9 0,835 = 2030 В т

Ответ: не указан.

Задача #4825

Генератор независимого возбуждения имеет следующие номинальные параметры: P_ном = 10 кВт; U_ном = 115 В; n_ном = 145 об/мин; рабочее сопротивление цепи якоря R_я = 0,052 Ом; сопротивление цепи возбуждения R_в = 120 Ом. Определить потери в генераторе, его КПД и необходимый момент приводного двигателя, если механические и магнитные потери составляют ΔР_ном = 5%Р_ном, а ток возбуждения I_вн = 3%I_{я ном}.

Ток якоря определяется из соотношения

I я = I я н о м = P н о м U н о м = 10000 115 = 87 А

Δ P = Δ P э + Δ P м + Δ P в = 0,05 P н о м + 0,03 I н о м 2 R в + I я 2 R я = 1705 В т

Потребляемая механическая мощность

P 1 = P н о м + Δ P = 10 + 1,7 = 11,7 к В т

η г = P н о м P 1 = 10 11,7 = 0,854

M = 9,55 P 1 n = 9,55 × 11700 1450 = 70,5 Н × м

Ответ: ΔP = 1705 Вт; η_г = 0,854; M = 70,5 Н × м.

Задача #4826

Генератор постоянного тока независимого возбуждения имеет следующие номинальные параметры: P_ном = 10 кВт; U_ном = 110 В ; R_ном = 1450 об/мин; рабочее сопротивление якоря R_я = 0,05 Ом. Определить номинальные токи потребителя и цепи возбуждения, если I_{в ном} = 5%I_{я ном}. Чему равны ЭДС в номинальном режиме работы и электромагнитный момент генератора?

Номинальный ток потребителя определяется из соотношения

I н о м = P н о м U н о м = 10000 110 = 91 А

Ток обмотки возбуждения

I в н о м = 4,55 А

ЭДС генератора равна

E = U н о м + I н о м R я = 110 + 91 × 0,05 = 114,55 В

Электромагнитный момент двигателя соответственно равен

M = 9,55 E I н о м n н о м = 68,2 Н × м

Ответ: I_ном = 91 А; I_{в ном} = 4,55 А; E = 114,55 В.

Потери и КПД машины постоянного тока.

В машинах постоянного тока имеют место магнитные, электрические и механические потери (составляющие группу основных потерь) и добавочные потери.

Магнитные потери.Магнитные потери Рм происходят только в сердечнике якоря, т.к. только этот элемент магнитопровода машины постоянного тока подвергается перемагничиванию. Величина магнитных потерь, состоящих из потерь на гистерезис, и потерь от вихревых токов, зависит от частоты перемагничивания (от частоты вращения якоря), значений магнитной индукции в зубцах и спинке якоря, толщины листов электротехнической стали, ее магнитных свойств и качества изоляции этих листов в пакете якоря.

Электрические потери. В коллекторной машине постоянного тока электрические потери обусловлены нагревом обмоток и щеточного контакта. Потери в цепи возбуждения определяются потерями в обмотке возбуждения и в реостате, включенном в цепь возбуждения: . Потери в обмотках цепи якоря , где — сопротивление обмоток в цепи якоря. Электрические потери также имеют место и в контактных щетках: , где — переходное падение напряжения. Электрические потери в цепи якоря и в щеточном контакте зависят от нагрузки машины, поэтому их называют переменными.

Механические потери. В машине постоянного тока механические потери складываются из потерь от трения щеток о коллектор , трения в подшипниках и потерь на вентиляцию: . Механические и магнитные потери при стабильной частоте вращения можно считать постоянными. Сумма магнитных и механических потерь составляют потери хх

В машинах постоянного тока имеется ряд трудно учитываемых потерь, называемых добавочными. Эти потери складываются из потерь от вихревых токов в меди обмоток, потерь в уравнительных соединениях, в стали якоря и тд. Они принимаются равными от 0,5 до 1% от полезной мощности.

КПД. Представляет собой отношение мощностей: отдаваемой (полезной) Р2 к подводимой (потребляемой) Р1: η=Р2/Р1.

Определяем суммарную мощность выше перечисленных потерь

_{можно посчитать КПД машины:}

для генератора

для двигателя

КПД можно определить 2 методами:1)Методом непосредственной нагрузки по результатам измерений подведений Р₁и отдаваемой Р₂.2)Косвенным методом по результатам измерений и последующих вычислений потерь.

27. Механические характеристики двигателя постоянного тока.

Рассмотрим двигатель с параллельным возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 14). Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. , откуда

(6)

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n₂ от момента на валу M₂ при U = const и I_в = const.
Уравнение (6) является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением.
Рис. 14

Эта характеристика является жесткой. С увеличением нагрузки частота вращения такого двигателя уменьшается в небольшой степени (рис. 15).

На рисунке 16 изображен двигатель последовательного возбуждения. Якорная обмотка и обмотка возбуждения включены последовательно.

Рис. 15

Рис. 16

Ток возбуждения двигателя одновременно является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря.

где k — коэффициент пропорциональности.
Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения является мягкой (рис. 17).

Рис. 17

Уравнение механической характеристики двигателя последовательного возбуждения выглядит следующим образом:

С увеличением нагрузки скорость двигателя резко падает.
С уменьшением нагрузки на валу двигатель развивает очень большую частоту вращения. Говорят, что двигатель идет вразнос. Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима.
Двигатель смешанного возбуждения имеет механическую характеристику, представляющую собой нечто среднее между механическими характеристиками двигателя параллельного и последовательного возбуждения.
Двигатели с параллельным возбуждением применяются для привода станков и различных механизмов, требующих широкой, но жесткой регулировки скорости.
Двигатели с последовательным возбуждением применяются в качестве тяговых двигателей электровозов, трамваев и т.д., когда жесткость, то есть рывки момента недопустимы.

28.Торможение двигателей постоянного тока

При необходимости быстрой остановки или уменьшения частоты вращения осуществляют торможения двигателя. Торможение с использованием электромагнитного момента электрической машины называется электрическим торможением.

Различают три вида торможения: рекуперативное, динамическое и противовключением.

Рекуперативное торможение является наиболее экономичным, так как оно основано на переводе двигателя в генераторный режим с отдачей энергии в сеть.

Если при работе двигателя в режиме холостого хода к его валу приложить момент, направленный в сторону вращения якоря, то частота вращения, а следовательно и ЭДС начнут возрастать.

Когда ЭДС достигнет напряжения U ,машина не будет потреблять из сети ток. При дальнейшем увеличении внешнего момента ЭДС станет больше напряжения U, а в цепи якоря появится ток, но другого направления. При этом машина перейдет в генераторный режим. Электромагнитный момент машины также меняет свое направление и становится тормозящим по отношению к внешнему моменту, действующему на вал машины. Величина тормозного момента регулируется током возбуждения.

Динамическое торможение основано на том, что обмотка якоря двигателя отключается от сети и замыкается на нагрузочное сопротивление. При этом механическая энергия вращающейся части преобразуется в электрическую энергию, которая расходуется на нагрев нагрузочного сопротивления. Ток якоря в этом режиме меняет свое направление, а создаваемый им электромагнитный момент оказывает тормозящее действие.

Торможение противовключением применяется при необходимости интенсивного торможения. Сущность его состоит в том, что путем изменения тока в обмотке возбуждения (либо в обмотке якоря) меняют направление электромагнитного момента двигателя, который становится тормозящим.

Электрические потери в генераторе постоянного тока

До сих пор, рассматривая генераторы, мы считали, что величина напряжения на их зажимах не зависит от величины тока. Это возможно только при условии дополнительного регулирования работы генератора. В самом деле, проводниковая цепь и внутри генератора обладает сопротивлением, следовательно, часть того общего напряжения, которое создается в генераторе, тратится на сопротивлении самого генератора, если только генератор отдает ток в нагрузку.

Напряжение, теряемое в генераторе (потеря напряжения), равно произведению внутреннего сопротивления генератора на ток.

Напряжение, которое давал бы генератор, если бы в его сопротивлении не терялась часть напряжения, называют его электродвижущей силой (ЭДС). Когда генератор нагружен током, напряжение на его зажимах меньше развиваемой им ЭДС как раз на величину напряжения, теряемого в обмотке. Таким образом,

Когда ток равен нулю, т. е. когда генератор не нагружен, напряжение на его зажимах равно ЭДС.

Потеря напряжения имеет место не только внутри генератора, но и в проводах, соединяющих генератор с потребителем. Она равна произведению тока на сопротивление проводов. При расчете проводов их сечение выбирают так, чтобы потеря напряжения в проводах была невелика.

Пример 1. Внутреннее сопротивление генератора составляет Ом, его ЭДС . Чему равно напряжение на его зажимах U, если генератор нагружен током ?

Решение. Вычисляем потерю напряжения в генераторе:

Напряжение на его зажимах

Пример 2. Потребитель электроэнергии присоединен посредством проводов к генератору (рис. 1.23).

Напряжение у потребителя .

Потребляемая мощность Длина проводов (в один конец) 112 м. Сечение провода Провода — медные; их удельное сопротивление Ом на 1 м при сечении 1 мм2. Требуется найти напряжение на зажимах источника (генератора).

Решение. Зная мощность и напряжение потребителя, находим ток:

Вычисляем сопротивление проводов R, общая длина которых составляет

Рис. 1.23. Схема линии электропередачи к примеру 2

Умножая ток на сопротивление проводов, вычисляем потерю напряжения;

Напряжение на зажимах генератора равно

Пример 3. Чему равна ЭДС, развиваемая генератором предыдущего примера, если его внутреннее сопротивление ?

Решение. Вычисляем потерю напряжения в генераторе при токе 50 А:

Потери мощности и кпд машин постоянного тока

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью двигателей и механической в электрическую с помощью генераторов сопровождается потерями энергии, чему соответствуют определенные потери мощности. От значений потерь мощности зависит важнейший энергетический показатель машин постоянного тока — их КПД. Потери мощности в машинах приводят к их нагреванию.

В машинах постоянного тока различают следующие основные виды потерь мощности:

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.

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.

Механические потери мощности ΔР_мех , причиной которых является трение в подшипниках, щеток о коллектор, вращающихся частей о воздух.

Потери мощности в цепи параллельной или независимой обмотки возбуждения: ΔР_в = U_вI_в = I_в 2 r_в.

Потери ΔР_с, ΔР_мех , ΔР_в при изменении нагрузки машин меняются незначительно, вследствие чего их называют постоянными потерями мощности.

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

Очевидно, мощность Р₁ может быть выражена следующим образом:Р₁ = Р₂ + ΣΔP,

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.

При увеличении полезной мощности КПД сначала возрастает при некотором значении Р₂, достигает наибольшего значения, а затем уменьшается. Последнее объясняется значительным увеличением переменных потерь, пропорциональных квадрату тока. Машины рассчитывают обычно таким образом, чтобы наибольшее значение КПД находилось в области, близкой к номинальной мощности Р_2ном . Номинальное значение КПД машин мощностью от 1 до 100 кВт лежит примерно в пределах от 0,74 до 0,92 соответственно.

Асинхронные машины устройство асинхронного двигателя трехфазного тока

Асинхронный двигатель трехфазного тока представляет собой электрическую машину, служащую для преобразования электрической энергии трехфазного тока в механическую. Благодаря простоте устройства, высокой надежности в эксплуатации и меньшей стоимости по сравнению с другими двигателями асинхронные двигатели трехфазного тока нашли широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. С их помощью приводятся в движение металлорежущие и деревообрабатывающие станки, подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.

На рис. 10.1 изображен продольный (а) и поперечный (б) разрезы асинхронного двигателя трехфазного тока, а также части сердечников ротора и статора с пазами и обмотками (в).

Двигатель имеет две основные части: неподвижную — статор и вращающуюся — ротор. Статор состоит из корпуса 1, представляющего собой основание всего двигателя. Он должен обладать достаточной механической прочностью и выполняется из стали, чугуна или алюминия. С помощью лап 8 двигатель крепится к фундаменту или непосредственно к станине про­изводственного механизма. Существуют и другие способы крепления двигателя к производственному механизму.

В корпус 1 вмонтирован сердечник 2 статора, представляющий собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого имеются пазы 3 с обмоткой статора 4. Часть обмотки 4′,находящаяся вне пазов 3, называется лобовой; она отогнута к торцам сердечника статора. Так как в сердечнике статора действует переменный магнитный поток и на статор действует момент, развиваемый двигателем, сердечник должен изготовляться из ферромагнитного материала достаточной механической прочности. Для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник статора собирают из отдельных листов (толщиной 0,35 — 0,5 мм) электротехнической стали и каждый лист изолируют лаком или другим изоляционным материалом.

Рис 10.1 Продольный (а) и поперечный (б) разрезы асинхронного двигателя, части сердечников ротора и статора с пазами и обмоткой (в)

Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже — из алюминиевого провода. В качестве изоляции проводов друг от друга используют бумагу, хлопчатобумажную ткань, пропитанные различными лаками, слюду, стекловолокно и различные эмали. Для изоляции проводов обмотки от сердечника статора служат электроизоляционный картон, слюда, асбест, стекловолокно.

В последнее время для изоляции обмоток асинхронных двигателей низкого напряжения применяют лавсан с электроизоляционным картоном, для двигателей высокого напряжения — пленки на слюдяной основе. На рис. 10.2 изображены разрезы пазов с обмоткой статоров асинхронных двигателей низкого (а) и высокого (б) напряжения.

Обозначения на рис. 10.2, а: 1 — провод с эмалевой изоляцией марки ПЭТВ-1; 2, 3 — пазовая и межсекционная изоляции из пленкоэлектрокартона на лавсане толщиной 0,27 мм. Обозначения на рис. 10.2, б:1 — провод медный; 2 — витковая изоляция из поликарбонатовой пленки; 3, 4— пазовая и межсекционная изоляции из слюдяной ленты на термореактивном лаке; 5 — клин из дерева твердых пород.

Рис. 10.2. Разрез паза с обмоткой статора асинхронного двигателя при номинальном напряжении до 500 В (а) и 6000 В (б)

Обмотка статора состоит из трех отдельных частей, называемых фазами. Фазы могут быть соединены между собой звездой или треугольником. Начала обмоток будем обозначать на схемах буквами А, В, С,концы — X, Y, Z. Обмотки двигателей малой и средней мощности изготовляют на напряжения 380/220 и 220/127 В. Напряжение, указанное в числителе, соответствует соединению обмоток звездой, в знаменателе — треугольником. Таким образом, один и тот же двигатель при соответствующей схеме соединения его обмоток может быть включен в сеть на любое указанное в паспорте напряжение. Существуют двигатели на 500, 660 и 1140 В.

Двигатели высокого напряжения изготовляют на напряжения 3000 и 6000 В. На корпусе двигателя имеется доска с зажимами, с помощью которых обмотка присоединяется к трехфазной сети. К каждому зажиму подключен соответствующий вывод обмотки. Для зажимов приняты следующие обозначения: зажимы, к которым подключены начала обмоток, обозначают буквами С1, С2 и С3, концы обмоток — соответственно С4, С5 и С6.

Сердечник 5 ротора (см. рис. 10.1) представляет собой цилиндр, собранный, так же как и сердечник статора, из отдельных листов электротехнической стали, в котором имеются пазы 6 с обмоткой 7 ротора.

Рис. 10.3. Короткозамкнутый ротор (а), короткозамкнутая обмотка ротора («беличья клетка») (б)

Рис. 10.4. Фазный ротор (с контактными кольцами)

Обмотки ротора бывают двух видов — короткозамкнутые и фазные. Соответственно этому различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором (с контактными кольцами). На рис. 10.3, а изображен короткозамкнутый ротор, на рис. 10.3, б — короткозамкнутая обмотка. Короткозамкнутая обмотка состоит из стержней 1, расположенных в пазах, и замыкающих колец 2. Стержни присоединены к замыкающим кольцам, в результате чего обмотка оказывается короткозамкнутой. Стержни и замыкающие кольца в одних двигателях изготовляют из меди, в других — из алюминия, в третьих — из бронзы и т. д. Алюминиевую обмотку получают путем заливки в пазы жидкого алюминия. По внешнему виду (рис. 10.3, б) короткозамкнутая обмотка напоминает беличье колесо, поэтому ее иногда называют «беличьей клеткой». На рис. 10.4 изображен фазный ротор (с контактными кольцами). Фазную обмотку ротора выполняют так же, как и обмотку статора. Она всегда соединяется звездой. Начала фаз обмотки присоединяют к контактным кольцам 1 (рис. 10.4), которые изготовляют из стали или латуни и располагают на валу двигателя. Кольца изолированы друг от друга, а также от вала двигателя. К кольцам прижимаются пружинами металлографитные щетки2, расположенные в неподвижных щеткодержателях. С помощью контактных колец и щеток в цепь ротора включается дополнительный резистор r_д , который является или пусковым (для увеличения пускового момента и одновременного уменьшения пускового тока) или регулировочным (для изменения частоты вращения ротора двигателя). Вал ротора 9 (см. рис. 10.1) изготовлен из стали и вращается в шариковых или роликовых подшипниках 10. Подшипники укреплены в подшипниковых щитах 11, которые изготовлены из чугуна или стали и прикрепляются к корпусу болтами.

Рис. 10.5 Развернутая схема обмотки статора асинхронного двигателя (а), секции обмотки (б)

Соединение отдельных проводников одной фазы обмотки между собой и взаимное расположение обмоток всех трех фаз статора можно проследить с помощью развернутой схемы обмотки статора двухполюсного асинхронного двигателя, изображенной на рис. 10.5, а.Обозначения на рисунке: πD — длина внутренней окружности сер­дечника статора; l — длина сердечника статора, цифры от 1 до 24 — пазы.

Фаза А — X начинается с проводника, лежащего в пазу 1. Первый проводник с помощью лобовой части обмотки Л₁ соединен с проводником, лежащим в пазу 13, последний в свою очередь с помощью лобовой части обмотки Л₂ соединен с проводником, лежащим в пазу 2, и т. д. Конец обмотки соединен с проводником, лежащим в пазу 16. Таким образом, фаза А — Xзанимает восемь пазов. Аналогичным образом соединяются проводники фаз В — Y и С — Z. Из рисунка видно, что начала и концы одной фазы двухполюсного двигателя сдвинуты в пространстве относительно другой на восемь пазов, что составляет 1/3 окружности, т. е. 120°.

Часть обмотки, выделенная на рис. 10.5, а жирной линией, называется секцией. Обычно секция состоит не из одного витка, как на рис, 10.5, а, а из нескольких витков (рис. 10.5, б). Такие секции изготовляют на шаблонах, потом их изолируют и придают им нужную форму. Секции укладывают в пазы и закрепляют с помощью деревянных клиньев. После того как все секции уложены, их соединяют в соответствии с развернутой схемой обмотки статора двигателя. Наряду с однослойными обмотками (см. рис. 10.5, а), когда в пазу расположена одна сторона одной секции, применяют двухслойные обмотки, в каждом пазу которой расположены две стороны двух секций.

Тепловая энергия, возникающая в двигателе в результате потерь электрической энергии в его обмотках и магнитопроводе, нагревает двигатель. Для увеличения теплоотдачи ротор снабжен крыльчаткой 12 (см. рис. 10.1), прикрепленной к замыкающим кольцам короткозамкнутой обмотки. Крыльчатка обеспечивает интенсивное движение воздуха внутри и снаружи двигателя. На рис. 10.1 стрелками указано направление движения воздуха через двигатель.