Потери и коэффициент полезного действия коллекторной

Машины постоянного тока

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

Магнитные потери Р_мпроисходят только в сердечнике якоря, так как только этот элемент магнитопровода машины постоянного тока подвергается перемагничиванию. Величина магнитных по­терь, состоящих из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов, зависит от частоты перемагничивания ¦ = pn/60, 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 обусловлены нагревом обмоток и щеточного контакта. Поте­ри в цепи возбуждения определяются потерями в обмотке возбуж­дения и в реостате, включенном в цепь возбуждения:

P_э.в = U_вI_в (29.18)

Здесь U_в– напряжение на зажимах цепи возбуждения.

Потери в обмотках цепи якоря

(29.19)

где сопротивление обмоток в цепи якоря Sr, приведенное к рас­четной рабочей температуре q_раб, определяется по (13.4).

Электрические потери также имеют место и в контакте щеток:

P_э.щ = DU_щI_a, (29.20)

где DU_щ – переходное падение напряжения, В, на щетках обеих полярностей, принимаемое в соответствии с маркой щеток по табл. 27.1.

Электрические потери в цепи якоря и в щеточном контакте за­висят от нагрузки машины, поэтому эти потери называют пере­менными.

Механические потери. В машине постоянного тока механиче­ские потери складываются из потерь от трения щеток о коллектор

P_к = k_трS_щ¦_щV_к (29.21)

трения в подшипниках Р_пи на вентиляцию Р_вен

P = P_к + P_п + P_вен (29.22)

где k_тр– коэффициент трения щеток о коллектор (k_тр= 0,2¸0,3); S_щ– поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором, м²; ¦_щ – удельное давление, Н/м², щетки [для машин общего назначе­ния ¦_щ = (2¸З)×10⁴ Н/м²];

окружная скорость коллектора (м/с) диаметром D_к (м)

(29.23)

Механические и магнитные потери при стабильной частоте вращения (n = const) можно считать постоянными.

Сумма магнитных и механических потерь составляют потери х.х.:

(29.24)

Если машина работает в качестве двигателя параллельного возбуждения в режиме х.х., то она потребляет из сети мощность

(29.25)

Однако ввиду небольшого значения тока I_a0электрические по­тери и весьма малы и обычно не превышают 3% потерь

Поэтому, не допуская заметной ошибки, можно записать откуда потери х.х.

(29.26)

Таким образом, потери х.х. (магнитные и механические) могут быть определены экспериментально.

В машинах постоянного тока имеется ряд трудно учитывае­мых потерь - добавочных. Эти потери складываются из потерь от вихревых токов в меди обмоток, потерь в уравнительных соедине­ниях, в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке, в полюсных наконечниках, обусловленных пульса­цией основного потока из-за наличия зубцов якоря, и др. Добавоч­ные потери составляют хотя и небольшую, но не поддающуюся точному учету величину. Поэтому, согласно ГОСТу, в машинах без компенсационной обмотки значение добавочных потерь Р_д принимают равным 1% от полезной мощности для генераторов или 1% от подводимой мощности для двигателей. В машинах с компенсационной обмоткой значение добавочных потерь прини­мают равным соответственно 0,5%.

Мощность (Вт) на входе машины постоянного тока (подводимая мощность):

для генератора (механическая мощность)

(29.27)

где M₁ – вращающий момент приводного двигателя, Н×м;

для двигателя (электрическая мощность)

(29.28)

Мощность (Вт) на выходе машины (полезная мощ­ность):

для генератора (электрическая мощность)

(29.29)

для двигателя (механическая мощность)

(29.30)

Здесь М₁и М₂ – момент на валу электрической машины, Н×м; n – частота вращения, об/мин.

Коэффициент полезного действия.Коэффициент полезного действия электрической машины представляет собой отношение мощностей отдаваемой (полезной) Р₂к подводимой (потребляе­мой) Р₁:

Определив суммарную мощность вышеперечисленных потерь

(29.31)

можно подсчитать КПД машины по одной из следующих формул:

для генератора

(29.32)

для двигателя

(29.33)

Обычно КПД машин постоянного тока составляет 0,75 – 0,90 для машин мощностью от 1 до 100 кВт и 0,90–0,97 для машин мощностью свыше 100 кВт. Намного меньше КПД машин посто­янного тока малой мощности. Например, для машин мощностью от 5 до 50 Вт h = 0,15¸0,50. Указанные значения КПД соответст­вуют номинальной нагрузке машины. Зависимость КПД маши­ны постоянного тока от нагрузки выражается графиком h = ¦(Р₂), форма которого характерна для электрических машин (рис. 28).

Коэффициент полезного действия электрической машины можно определять: а) методом непосредственной нагрузки по ре­зультатам измерений подведенной Р₁и отдаваемой Р₂мощностей; б) косвенным методом по результатам измерений потерь.

Метод непосредственной нагрузки применим только для ма­шин малой мощности, для остальных случаев применяется кос­венный метод, как более точный и удобный. Установлено, что при h > 80 % измерять КПД методом непосредственной нагрузки неце­лесообразно, так как он дает большую ошибку, чем косвенный метод.

Рис. 28. Зависимость h = ¦(Р₂)

Существует несколько кос­венных способов определения КПД. Наиболее прост способ хо­лостого хода двигателя, когда потребляемая машиной постоян­ного тока мощность затрачивает­ся только на потери х.х. Что же касается элек­трических потерь, то их определяют расчетным путем после пред­варительного измерения электрических сопротивлений обмоток и приведения их к рабочей температуре.

Контрольные вопросы

1. Какие способы ограничения пускового тока применяются в двигателях по­стоянного тока?

2. С какой целью при пуске двигателя параллельного возбуждения сопротивле­ние реостата в цепи возбуждения устанавливают минимальным?

3. Сравните двигатели параллельного и последовательного возбуждения по их регулировочным свойствам?

4. Какова разница в конструкции коллекторных двигателей постоянного и пе­ременного тока?