Коэффициент полезного действия.

Общие положения. Коэффициент полезного действия определяется как отношение полезной, или отдаваемой, мощности к потребляемой мощности :

(6.1)

или в процентах

. (6.2)

Современные электрические машины имеют высокий к.п.д. Так, у машин постоянного тока мощностью 10 кВт к.п.д. составляет 83-87%, мощностью 100 кВт – 88-93% и мощностью 1000 кВт – 92-96%. Лишь малые машины имеют относительно низкие к.п.д.

Рисунок 5. – Зависимость коэффициента

полезного действия электрической

машины от нагрузки.

Кривая к.п.д. электрической машины сначала быстро растет с увеличением нагрузки, затем к.п.д. достигает максимального значения (обычно при нагрузке, близкой к номинальной) и при больших нагрузках уменьшается (рис. 5). Последнее объясняется

тем, что отдельные виды потерь (электрические и добавочные) растут быстрее, чем полезная мощность.

Условия максимума к.п.д. Различные виды потерь различным образом зависят от нагрузки. Обычно можно считать, что одни виды потерь остаются постоянными при изменении нагрузки, а другие являются переменными. Например, если генератор постоянного тока работает с постоянной скоростью вращения и постоянным потоком возбуждения, то механические и магнитные потери являются также постоянными. Наоборот, электрические потери в обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной изменяются пропорционально , а в щеточных контактах – пропорционально . Напряжение генератора при этом также приблизительно постоянно, и поэтому с определенной степенью точности .

Таким образом, в общем, несколько идеализированном, случае можно положить, что

(6.3)

или

,

где коэффициент нагрузки

(6.4)

определяет относительную величину нагрузки машины.

Суммарные потери также можно выразить через :

, (6.5)

где – постоянные потери, не зависящие от нагрузки; – значение потерь, зависящих от первой степени при номинальной нагрузке; – значение потерь, зависящих от квадрата , при номинальной нагрузке.

К.п.д. будет максимальным при такой нагрузке, при которой переменные потери зависящие от квадрата нагрузки, становятся равными постоянным потерям .

Значение коэффициента нагрузка при максимуме к.п.д.

. (6.6)

Если машина проектируется для заданного значения , то, поскольку потери обычно относительно малы, можно считать, что

.

Изменяя при этим соотношение потерь и , можно достичь максимального значения к.п.д. при различных величинах нагрузки. Если машина работает при нагрузках, близких к номинальной, то выгодно, чтобы значение было близко к единице. Если машина работает в основном при малых нагрузках, то выгодно, чтобы значение было соответственно меньше.

Генераторы постоянного тока.

Генераторы постоянного тока преобразуют механическую энергию, подводимую к валу машины в электрическую энергию постоянного тока.

Рисунок 6. – Схемы возбуждения генераторов: а – независимое; б – параллельное; в – последовательное; г – смешанное возбуждение.

По способу возбуждения генераторы постоянного тока делятся на генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.

Генераторы независимого возбуждения могут возбуждаться от постороннего источника постоянного тока или от постоянных магнитов. Генераторы с постоянными магнитами относятся к магнитоэлектрическим генераторам, а генераторы с возбуждением от источника постоянного тока называются генераторами с электромагнитным возбуждением.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от схемы включения обмотки возбуждения делятся на генераторы параллельного (шунтового), последовательного (сериесного) и смешанного (компаундного) возбуждения (рис.6).

Обмотки независимого и параллельного возбуждения ОВ (рис.6, а и б) выполняются из тонких проводов и имеют большое число витков, а обмотка последовательного возбуждения ОВП (рис.6, в) имеет несколько витков, но в ней проходит ток якоря и она выполняется из витков большого сечения. Для регулирования тока возбуждения в цепи обмоток независимого и параллельного возбуждения включается регулировочный резистор R (рис.6, а, б, г).

Характеристики холостого хода генераторов постоянного тока всех систем возбуждения снимают при постоянной частоте вращения и независимом возбуждении, когда обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока, позволяющему изменять ток от нуля до . Характеристика холостого хода машины постоянного тока представлена на рис.6.1, а. Характеристику холостого хода начинают снимать от точки 1. Когда равен нулю, на якоре есть остаточное напряжение . Затем снимают восходящую ветвь 1, 2, далее – нисходящую ветвь 2, 3 и снова уменьшают и снимают ветвь 3, 4, 5. В точке 4 ток возбуждения, так же как и в точке 2, реверсируется. Ветвь, показанная на рис.6.1, а штриховой линией, называется основной характеристикой холостого хода. Особенностью характеристики холостого хода машины постоянного тока так же, как и синхронной машины, является наличие остаточной ЭДС и относительно широкой петли гистерезиса.

Рисунок 6.1. – Характеристики холостого хода а и внешняя характеристика б.

Внешняя характеристика генератора при и показывает зависимость напряжения на выходе генератора от тока нагрузки. На рис.6.1, б дана внешняя характеристика генератора независимого возбуждения. При (холостой ход) – на выводах генератора ЭДС холостого хода . С ростом нагрузки напряжение падает сначала по линейному закону, в основном за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении машины, а затем в области нагрузок, близких к номинальной, по нелинейному закону – за счет большего размагничивающего действия поперечной реакции якоря.

При нагрузках, равных примерно половине номинальной, реакция якоря влияет слабо на поле машины и внешняя характеристика линейна. При больших нагрузках поперечная реакция якоря ослабляет поле машины, и напряжение изменяется как за счет реакции якоря, так и за счет падения на внутреннем сопротивлении. На рис.6.1, б отрезок характеризует падение напряжения за счет внутреннего сопротивления (линейная зависимость от ), а отрезок – за счет реакции якоря (нелинейная зависимость от ). Падение напряжения определяет жёсткость внешней характеристики. Чем меньше выраженное в процентах номинального напряжения, тем выше жесткость внешней характеристики.

Внешняя характеристика генератора параллельного (кривая 2 рис.6.2, а) возбуждения идет ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 1), так как напряжение на обметке возбуждение генератора с параллельным возбуждением при росте нагрузки падает, и ток возбуждения уменьшается.

Рисунок 6.2. – Внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением а и при различных схемах возбуждения б.

Внешние характеристики снимаются при неизменном сопротивлении регулировочного резистора, включенного в цепь обмотки возбуждении. Вид внешней характеристики генератора с параллельным возбуждением (кривая 2) при перегрузках отличается от внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 1). При перегрузках поле генератора с параллельным возбуждением опрокидывается и установившийся ток при коротком замыкании определяется остаточным магнитным потоком. Несмотря на то, что может быть меньше , короткие замыкания генераторов параллельного возбуждений опасны из-за того, что переходный ток короткого замыкания , значителен. При токах , значительно превышающих может возникнуть круговой огонь на коллекторе.

На рис. 6.2, б представлены внешние характеристики генераторов постоянного тока при различных схемах возбуждения.

Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения (кривая 3) имеет вначале линейный участок, а при токах, близких к номинальному, наступает насыщение и рост напряжения замедляется. Генераторы последовательного возбуждения применяются редко. В генераторах смешанного возбуждения обмотки последовательного и параллельного возбуждения могут быть включены согласно, когда их МДС совпадают, и встречно, когда МДС последовательной обмотки вычитается из МДС обмотки параллельного возбуждения. При согласном включении обмоток возбуждения напряжение растет с ростом нагрузки (кривая 4). При встречном включении обмоток внешняя характеристика мягкая (кривая 5). Кривые 1 и 2 – внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением соответственно.

Вид внешних характеристик при смешанном возбуждении зависит от соотношения МДС последовательной и параллельной обмоток. При согласном включении последовательная обмотка может быть рассчитана так, что ее МДС при номинальной нагрузке скомпенсирует падение напряжения за счет реакции якоря и падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины (рис. 6.3, а).

Рисунок 6.3. – Внешняя характеристика генератора смешанного возбуждения при а и внешняя характеристика при встречном включении последовательной обмотки возбуждения б.

Встречное включение обмоток параллельного и последовательного возбуждения применяется для получения специальных характеристик. Так называемая экскаваторная характеристика обеспечивает ограничение тока якоря и момента при перегрузках (рис. 6.3, б). Такая внешняя характеристика необходима также в сварочных генераторах.

Регулировочные характеристики при и показывают, как надо изменять ток возбуждения при изменении нагрузки, чтобы напряжение оставалось постоянным. На рис 6.4, а даны регулировочные характеристики для генераторов с различными системами возбуждения. Для генераторов последовательного возбуждения регулировочная характеристика не снимается.

Характеристики короткого замыкания при и снимают при замкнутой накоротко обмотке якоря (рис.6.3, б). Характеристика короткого замыкания линейная, так как машина не насыщена. Ток короткого замыкания не должен превышать (1,2 - 1,25) . При снятии характеристики короткого замыкания должны быть предусмотрены меры, обеспечивающие разрыв цепи якоря при увеличении тока больше допустимых значений. Остаточное поле определяет ток короткого замыкания при . Чтобы начальное значение тока короткого замыкания не было слишком большим, перед снятием характеристики машину размагничивают. Для этого обмотку возбуждения на небольшое время подключают к переменному напряжению. В машинах с высоким уровнем электромагнитных нагрузок из-за значительного влияния токов в коммутируемых секциях снять эту характеристику не удается.

Рисунок 6.4. – Регулировочные характеристики при различных схемах возбуждения а (1 – независимое; 2 – параллельное; 3 – смешанное при согласном включении обмоток; 4 – смешанное при встречном включении обмоток) и характеристики короткого замыкания генератора б.

Нагрузочная характеристика при и (кривая 2) и характеристика холостою хода (кривая 1), показанные на рис. 6.5, позволяют определить катеты прямоугольного треугольника , который называют реактивным треугольником. При снятии нагрузочной характеристики при изменении тока возбуждения ток в якоре поддерживается неизменным путем изменения нагрузочного сопротивления в цепи якоря.

В реактивном треугольнике катет – падение напряжения на внутреннем сопротивлении машины , а катет характеризует падение напряжения за счет размагничивающего действия продольной составляющей поперечной реакции якоря.

Основными характеристиками генераторов постоянного тока является характеристики холостого хода, внешняя и регулировочная. Характеристики короткого замыкания и нагрузочная – вспомогательные характеристики.

Рисунок 6.5. – нагрузочная характеристика.