Преобразование энергии.

На рис.4 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Рисунок 4. – Направления ЭДС тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока.

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозящие вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

, (4.1)

где – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе машины, – тормозящий момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря.

Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

, (4.2)

где – тормозящий момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т.п.).

В генераторе является движущим, а в двигателе тормозящим моментом, причем в обоих случаях и противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом мощность называется электромагнитной мощностью и равна

, (4.3)

где

(4.4)

представляет собой угловую скорость вращения.

(4.5)

В обмотке якоря под действием ЭДС и тока развивается внутренняя электрическая мощность якоря

. (4.6)

Согласно равенствам (4.5) и (4.6), , т.е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Для генератора

(4.7)

и для двигателя

. (4.8)

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Согласно этим выражениям, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Потери.

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 (потери в стали) и 3) электрические потери.

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

Механические потери 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.

Потери в подшипниках зависят от типа подшипников (качения или скольжения), от состояния трущихся поверхностей, вида смазки и т. д.

Потери на трение щеток могут быть вычислены по формуле

, (5.1)

где – коэффициент трения щеток о коллектор или контактные кольца ( ); – удельное (на единицу площади) давление на щетку; – контактная поверхность всех щеток; – окружная скорость коллектора или контактных колец.

Потери на вентиляцию зависят от конструкции машины и рода вентиляции. В самовентилируемых машинах со встроенным центробежным вентилятором потери на вентиляцию вычисляются приближенно по формуле:

, Вт (5.2)

где – количество воздуха, прогоняемого через машину, ; – окружная скорость вентиляционных крыльев по их внешнему диаметру, .

Общие механические потери

. (5.3)

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

Магнитные потери 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 и в зубцах якоря .

К магнитным потерям относят также такие добавочные потери, которые зависят от величины основного потока машины (потока полюсов) и вызваны зубчатым строением сердечников. Эти потери 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 в полюсных наконечниках, обусловленные зубчатостью якоря.

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 в зубцах и поверхностные потери также на внешней поверхности якоря.

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

Общие магнитные потери

. (5.4)

Электрические потери в каждой обмотке вычисляют по формуле . Сопротивление обмотки зависит от ее температуры. В нормальных машинах постоянного тока имеются две электрические цепи: цепь якоря и цепь возбуждения. Поэтому обычно рассчитывают потери в цепи якоря и в цепи возбуждения .

Потери в обмотках можно выразить также через плотность тока в обмотке и вес обмотки (без изоляции)

. (5.5)

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

, (5.6)

где – падение напряжения на один щеточный контакт.

Добавочные потери . К этой группе относят потери, вызванные различными вторичными явлениями при нагрузке машины.

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 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 в проводниках обмотки индуктируются вихревые токи. Добавочный ток коммутации также вызывает дополнительные потери.

На практике добавочные потери оценивают на основе опытных данных в виде определенного процента от номинальной мощности. Согласно ГОСТ 11828 – 66, 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 проводимой мощности для 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 представляют собой сумму всех потерь:

. (5.7)