Втрати в машині постійного струму
загальні положення
При роботі електричної машини частина споживаної нею енергії втрачається марно і розсіюється у вигляді тепла. Потужність втраченої енергії називають втратами потужності або просто втратами.
Втрати в електричних машинах поділяються на основні та додаткові. Основні втрати виникають в результаті відбуваються в машині основних електромагнітних і механічних процесів, а додаткові втрати обумовлені різними вторинними явищами. Під обертових електричних машинах основні втрати поділяються на 1) механічні втрати, 2) магнітні втрати, або втрати в сталі. і 3) електричні втрати.
До електричних втрат відносяться втрати в обмотках, які називають також втратами в міді. хоча обмотки не завжди виготовляються з міді; втрати в регулювальних реостатах і втрати в перехідному опорі щіткових контактів.
Розглянуті в даній темі питання здебільшого є загальними для машин постійного і змінного струму.
механічні втрати
Механічні втрати pмх складаються з 1) втрат в підшипниках, 2) втрат на тертя щіток про колектор або контактні кільця і 3) вентиляційних втрат, які включають в себе втрати на тертя частин машини об повітря і інші втрати, пов'язані з вентиляцією машини (потужність кінетичної енергії повітря, що відходить і втрати в вентиляторі). У ряді випадків електричні машини охолоджуються не повітря, а воднем або водою, і пов'язану з цим втрату також відносять до вентиляційних.
Втрати в підшипниках pподш обчислюють за співвідношенням, які розглядаються в курсах деталей машин і проектування електричних машин. Ці втрати залежать від типу підшипників (кочення або ковзання), від стану поверхонь, що труться, виду мастила і так далі. Важливо підкреслити, що при роботі даної машини ці втрати залежать тільки від швидкості обертання і не залежать від навантаження.
Втрати на тертя щіток можуть бути обчислені за формулою
Втрати на вентиляцію pвент залежать від конструкції машини і роду вентиляції. Подробиці розрахунку цих втрат розглядаються в курсах проектування електричних машин. У разі якщо вентиляція здійснюється не вбудованим в машину, а перед окремими вентилятором, втрати на вентиляцію машини включають в себе споживану потужність приводу вентилятора.
У самовентилюються машинах з вбудованим відцентровим вентилятором втрати на вентиляцію у ВАТ іноді обчислюються приблизно за такою емпіричною формулою:
де Q - кількість повітря, проганяє через машину, м³ / с; v - окружна швидкість вентиляційних крил по їх зовнішньому діаметру, м / с.
Так як Q також пропорційно v. то з виразу (2) випливає, що втрати pвент пропорційні третього ступеня швидкості обертання машини.
Загальні механічні втрати
Як випливає з викладеного, в кожній даній машині втрати pмх залежать тільки від швидкості обертання і не залежать від навантаження. У машинах постійного струму потужністю 10 - 500 кВт втрати pмх становлять відповідно 2 - 0,5% від номінальної потужності машини.
магнітні втрати
Магнітні втрати pмг включають в себе втрати на гістерезис і вихрові струми. викликані перемагнічуванням сердечників активної сталі. Для обчислення цих втрат сердечник підрозділяється на частини, в кожній з яких магнітна індукція постійна. Наприклад, в машинах постійного струму обчислюються окремо втрати в осерді якоря
і в зубцях якоря
Тут p1,0 / 50 і p1,5 / 50 - питомі втрати в сталі на одиницю маси при частоті f = 50 Гц і індукціях відповідно B = 1,0 Т і B = 1,5 Т; Bа і Bz - середні значення індукції в спинці якоря і зубцях; Gса і Gcz - маси стали спинки якоря і зубців; kда і kдz - коефіцієнти, що враховують збільшення втрат внаслідок обробки сталі (наклеп при штампуванні, замикання аркушів в пакеті), через нерівномірність розподілу індукції і несинусоїдальності закону зміни індукції в часі.
До магнітних втрат відносять також такі додаткові втрати, які залежать від значення основного потоку машини (потоку полюсів) і викликані зубчастим будовою сердечників. Ці втрати іноді називають також додатковими втратами холостого ходу, так як вони існують в збудженої машині вже при холостому ході.
Малюнок 1. Магнітне поле в повітряному зазорі при зубчастому якорі
До зазначених втрат в машинах постійного струму відносяться перш за все поверхневі втрати pпов в полюсних наконечниках, обумовлені зубчасті якоря. Зважаючи на наявність зубців і пазів на обертовому якорі магнітна індукція в каждо точці поверхні полюсного наконечника пульсує (дивіться малюнок 1) з частотою
будучи максимальної, коли проти даної точки знаходиться зубець якоря, і мінімальної, коли проти цієї точки знаходиться паз якоря. Внаслідок цього в полюсних наконечниках индуктируются вихрові струми, причому вони протікають тільки в тонкому поверхневому шарі, так як fz має порядок тисячі і більше герц. Ці втрати залежать від 1) величини пульсації, яка більше при відкритих пазах на якорі, 2) частоти пульсацій fz і 3) товщини листів стали полюсів і ступеня їх ізольованості один від одного на поверхні наконечника полюса.
Якщо пази є також в полюсних наконечниках машини постійного струму (при наявності компенсаційної обмотки), то в зубцях якоря і полюсах в результаті їхнього взаємного переміщення виникають пульсації магнітного потоку. Потоки в зубцях максимальні, коли зубець якоря розташований проти зубця полюса, і мінімальні, коли проти зубця розташований паз. Частота цих пульсацій також велика. При цьому виникають пульсації втрати pпульс в зубцях і поверхневі втрати також на зовнішній поверхні якоря.
Подібні ж поверхневі і пульсації втрати, викликані зубчастим будовою сердечників і залежні від основного магнітного потоку, виникають також в машинах змінного струму. Втрати pпов і pпульс обчислюються за формулами, які наводяться в курсах проектування електричних машин.
До додатковим втрат холостого ходу відносяться також втрати, які виникають в дротяних бандажів, обмоткодержателях і в інших деталях при обертанні в магнітному полі полюсів.
Загальні магнітні втрати
електричні втрати
Електричні втрати pел в кожній обмотці обчислюють за формулою pел = I ² × r. Опір обмотки залежить від температури. Тому ГОСТ 25941-83 передбачає визначення втрат в обмотках при приведенні їх до робочої температури (75 ° C для класів обмоток A, E і B і 115 ° C для класів F та H). У нормальних машинах постійного струму є дві електричні ланцюги: ланцюг якоря і ланцюг збудження. Тому зазвичай розглядають втрати в ланцюзі якоря pел.а і в ланцюзі збудження pел.в.
Втрати в обмотках можна виразити також через щільність струму в обмотці j і масу обмотки (без ізоляції) G. Дійсно,
де l - загальна довжина провідників обмотки; s - перетин провідника; γ - щільність провідника; ρ - питомий опір.
Наприклад, для міді γ = 8,9 г / см і при 75 ° C ρ = 1/4600 Ом × мм ² / см. Якщо виразити, далі, j в А / мм, то отримаємо
Таким чином, формула (7) визначає втрати у ВАТ в мідній обмотці масою G кг при 75 ° C і при щільності струму j А / мм.
До електричних втрат відносять також втрати в регулювальних реостатах і втрати в перехідних опорах щіткових контактів. Втрати в перехідних опорах щіткових контактів для щіток однієї полярності обчислюються за формулою
де ΔUщ - падіння напруги на один щітковий контакт. Так як ΔUщ залежить складним чином від різних величин і факторів, то для спрощення розрахунків, згідно з ГОСТ 11828-86, "Машини електричні обертові. Загальні методи випробувань", приймається для вугільних і графітових щіток ΔUщ = 1 В і для металлоугольних щіток ΔUщ = 0 , 3 В.
додаткові втрати
Додаткові втрати Pд. До цієї групи відносять втрати, викликані різними вторинними явищами при навантаженні машини. Тому зазначені втрати, що залежать від струму навантаження, називають іноді також додатковими втратами при навантаженні.
У машинах постійного струму одна частина розглянутих втрат виникає внаслідок спотворення кривої магнітного поля в повітряному зазорі при навантаженні під впливом поперечної реакції якоря. В результаті цього магнітний потік розподіляється по зубців і перетину спинки якоря нерівномірно: з одного краю полюсного наконечника індукція в зубцях і спинці якоря зменшується, а з іншого краю збільшується. Такий нерівномірний розподіл потоку викликає збільшення магнітних втрат, подібно до того як нерівномірний розподіл струму в провіднику (наприклад, в результаті поверхневого ефекту) викликає збільшення електричних втрат. Внаслідок такого нерівномірного розподілу потоку збільшуються також поверхневі втрати в полюсних наконечниках. При наявності компенсаційної обмотки розглянута частина додаткових втрат практично відсутня.
Малюнок 2. Магнітні потоки розсіювання секції
Інша частина додаткових втрат в машинах постійного струму пов'язана з комутацією. При зміні в часі потоків розсіювання комутованих секцій (дивіться малюнок 2) в провідниках обмотки индуктируются вихрові струми. Додатковий струм комутації також викликає додаткові втрати. Існують також інші причини виникнення додаткових втрат (вихрові струми в кріпильних деталях тощо).
Внаслідок складної природи додаткових втрат формули для їх обчислення виходять складними і, крім того, не дуже точними. Експериментальне визначення цих втрат також важко. Тому на практиці додаткові втрати найчастіше оцінюють на основі досвідчених даних у вигляді певного відсотка від номінальної потужності. Згідно ГОСТ 11828-86, ці втрати для машин постійного струму при номінальному навантаженні приймаються: при відсутності компенсаційної обмотки рівними 1,0% і при наявності компенсаційної обмотки рівними 0,5% від потужності, що для генератора і підводиться потужності двигуна. Для інших навантажень ці втрати перераховуються пропорційно квадрату струму навантаження.
Всі види додаткових втрат, не пов'язані безпосередньо з електричними процесами в ланцюгах обмоток машини, покриваються за рахунок механічної потужності на валу машини.
Сумарні, або повні втрати
Сумарні, або повні втрати pΣ представляють собою суму всіх втрат: