Лекція 2
Класифікація електричних машин і їх номінальні величини
Основним: призначенням електричних машин є електромеханічне перетворення енергії. Сучасні електричні машини виготовляють з дуже широкими діапазонами потужностей (від частин вата до півтора мільйона кіловат) і частот обертання (від одного оберту в годину до 100 000 об/хв.). Все це накладає відповідні вимоги до конструкції і матеріалів, що застосовуються, тому діапазони потужностей електричних машин умовно поділяють на чотири групи:
Мікромашини ...................................до 500 Вт Машини: Малої потужності........................0,5-50 кВт Середньої потужності................50-500 кВт Великої потужності............більше 500 кВт |
Електричні машини можуть використовуватися для підсилення потужності електричних сигналів в різних системах управлінні. Такі машини називають електромашинними підсилювачами. Для перетворенні частоти обертів в електричні сигнали служать тахогенератори, а для отримання електричних сигналів, пропорційних куту повороту вала - сельсини. Всі ці види електричних машин знаходять застосування на транспорті.
За принципом: дії електричні машини поділяють на дві групи - колекторні і безколекторні.
Колекторні машини використовують головним чином: на постійному струмі в якості, генераторів або двигунів. Але існують і колекторні двигуни змінного струму, котрі в сучасних умовах застосовують в системах, де необхідна висока частота обертанні (більше 3000 об/хв).
Безколекторні. машини ділять на синхронні та асинхронні. Це машини змінного струму. Синхронні машини працюють в якості, генераторів і, рідше, як двигуни. Асинхронні машини - це головним чином електродвигуни. Обидва цих типи машин змінного струму використовують на локомотивах.
Номінальний режим роботи електричної машини, тобто режим при умовах, для яких вона призначена, характеризується такими величинами: потужністю, напругою, струмом, частотою обертання, ККД і електромагнітним моментом.
Потрібно розрівняти номінальну електричну потужність генератора і механічну потужність на валу двигуна.
Матеріали, що застосовуються в електромашинобудуванні
Для отримання електромагнітного моменту моменту в електричній машині необхідна наявність магнітного потоку (його створюють полюси) і струму в обмотці якоря. Отже, основу електричної машини мають складати магнітні і струмопровідні матеріали. Ізоляцію струмопровідних матеріалів від корпуса і одні від одного виконують ізоляційними матеріалами.
Для виготовлення вузлів і. деталей, головним, призначенням яких є сприйняття і передача механічних навантажень (ваги, станини, підшипникові щити, кріпильні деталі і т. ін.) застосовують конструктивні матеріали.
Магнітопровідні матеріали. Найважливішими сортами листової електротехнічної сталі є сорти, у склад .яких для зменшення: збитків на вихрові стуми і гістерезис вводять кремній.
Електротехнічні сталі виготовляють товщиною 0,5 і 0,35 мм і розрізняють за двома найважливішими ознаками. Сталь може бути ізотропною, що має практично однакову магнітопровідність в напрямку і поперек прокату, або анізотропною, у якій намагнічувана провідність різко відрізняється у вказаних напрямках.
Позначення марок сталі складається з чотирьох цифр, які умовно характеризують основні властивості, сталі: перша - клас за структурним: станом і видом прокату (1 - гаряча прокатка ізотропна, 2 - холоднокатана ізотропна, 3 - холоднокатана анізотропна); друга - вміст кремнію (0 - не легована, 1 - вміст кремнію від 0,4 до 0,8 %, 2 - більше 0,8 до 1,8 %, 3 - більше 1,8 до 2,8 і тощо); третя - основна нормована характеристика (питомі втрати при даній індукції і частоті 50 Гц); четверта - порядковий номер сталі.
Раніше для виготовлення осердь якорів застосовувалась гарячекатана ізотропна сталь (в більшості марки 1312). Останнім: часом: її замінює холоднокатана ізотропна сталь, що володіє більш високими магнітними показниками, наприклад, марки 2312.
Для виготовлення шихтованих осердь полюсів, що не підлягають періодичному перемагнічуванню застосовують холоднокатану анізотропну сталь марки 3411.
Струмопровідні матеріали. Завдяки гарній електропровідності, відносній дешевизні і. достатній механічній міцності, основним етрумопровщїим матеріалом є мідь. Але її запаси порівняно обемежені і. тому ведуться роботи по її заміні, в першу чергу алюмінієм І його сплавами.
Питомий опір при температурі 20° С для електролітичної відпаленої міді складає (17,24 ÷ 17.54) 10-9 Ом∙м, а для рафінованого алюмінію - 28,2∙10-9 при густині відповідно 8,9 т/м3 і 2,65 т/м2. Істотно більший (практично в1,6 рази) питомий опір алюмінію і гірші механічні властивості перешкоджають його широкому використанню в електричних машинах.
Ізоляційні матеріали. Ці матеріали повинні, володіти достатньою електричною і механічною міцністю, теплопровідністю і стійкістю до нагрівання. В основному ізоляційні матеріали можуть виготовлятись на основі природних органічних матеріалів (папір, деревина, шовк), неорганічних матеріалів (слюда, скловолокно, азбест), різних синтетичних матеріалів (плівки, емалі, лаки). Рідкі або газоподібні діелектрики частіше застосовуються в трансформаторах.
При роботі електричних машини і трансформатори нагріваються, що веде до виходу із ладу їх електричної ізоляції. Ізоляційні матеріали під дією температури висихають, тріскають, втрачають свої електричні механічні властивості; ізоляція старіє. Тому, коли говорять про допустиме навантаження машини або трансформатора, то мають на увазі, що вона насамперед визначається допустимою температурою для ізоляційних матеріалів. І якщо машину розраховують на термін служби 16-20 років, то стійкість до нагріву ізоляції, яку використовують, повинна забезпечувати економічно доцільний до ремонту термін служби.
Звичайно на, і машину, і трансформатор можна виконати такими, що не нагріватимуться в процесі експлуатації. Але використання їх матеріалів при цьому буде надзвичайно неефективним, виріб буде тяжким і дорогим. Потрібно побудувати високоефективну машину з довгим терміном служби.
Всі ізоляційні матеріали на стійкість що нагріву поділяються: на класи. Допустима температура для кожного з класів така.
Класи ізоляції Y А Е В F H С
Допустима температура, °С 90 І05 120 130 І55 180 вище 180
Термін служби ізоляції навіть при невеликому перевищені температури, що допускається що допускається для данного класу різко падає. Тому в умовах експлуатації температура ніколи не повинна перевищувати допустиму.
Конструктивні матеріали. В якості таких матеріалів використовують сталь, чавун, кольорові матеріали і їх сплави, а також пластмаси. До них висуваються вимоги, загальні в машинобудуванні.
Втрати потужності в електричних машинах
При роботі електричних машин відбувається перетворення енергії, що супроводжується її втратами. В залежності від причин виникнення втрати енергії поділяють на наступні: магнітні, електричні, механічні, додаткові. Вони мають назву втати потужності в електричних машинах, та визначаються в одиницях потужності Вт (кВт).
Магнітні втрати.
При зміні магнітного потоку на ділянках магнітопровода виникають втрати на пере магнічення і вихрові струми. При розрахунку вказані втрати не розділяються і називаються втратами в сталі. Їх розраховують для кожної ділянки, у межах якої магнітна індукція приймається постійною за значенням.
Для кожної ділянки знаходять втрати на 1 кг маси
,
де р0 – питомі магнітні втрати при індукції 1Тл та часті f = 50 Гц, залежать від марки і товщини листа сталі; Ві – індукція на ділянці.
Загальні втрати в сталі
,
де Gі – маса і-ої ділянки.
Електричні втрати.
Електричні втрати обумовлені проходження по провідникам обмоток електричного струму. При цьому частина енергії витрачається на нагрів провідників.
Електричні втрати складаються з втрат в обмотках статора Рел1, ротора Рел2 та струмозйомних елементів (при їх наявності) Рсзе
Рел = Рел1 + Рел2 + Рсзе.
Електричні втрати визначаються
Рел1(2) = m1(2)I21(2)R1(2),
де m1(2) – кількість фаз статора (ротора); I1(2) – струм статора (ротора); R1(2) – активний опір статора (ротора).
Наприклад, у випадку машини постійного струму, яка має одну пару щіток втрати в струмозйомних елементах (колекторі та щітках) визначаються виразом
Рсзе = 2∆UщІщ,
де ∆Uщ – падіння напруги на щітці, Іщ – струм щітки.
Механічні втрати.
Механічні втрати Рмех складаються з втрат на тертя в підшипниках, в ковзаючихся контактах струмозйомних елементів, а також вентиляційних втрат.
Розрахунок Рмех достатньо складний, тому їх визначають у відсотках від номінальної потужності Рном2 виходячи з дослідних даних для різноманітних типів електричних машин
Рмех ≈ 0,05 Рном2.
Додаткові втрати.
Додаткові втрати Рд викликані нерівномірним розподілом струму по перерізу провідника обмотки і потоку в магнітопроводі, а також внаслідок пульсацій магнітного потоку викликаних наявністю на статорі або роторі пазів і зубців. Рд також визначаються приблизно на основі дослідних даних і для різних типів електричних машин знаходяться у межах
Рд ≈ (0,5 … 2)% Рном2.
При складанні розглянутих різновидів втрат отримаємо сумарні втрати потужності електричної машини
ΣР = Рс + Рел + Рмех + Рд.
Схематично
баланс потужностей електричної машини
ілюструється енергетичною діаграмою.
Р1
Р2
Рс
Рел
Рмех
Рд
Р1 – потужність, що споживається; Р2 – корисна потужність, що віддається навантаженню.
Р1 = ΣР + Р2.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) електричних машин визначається співвідношеннями
.
Слід відзначити, що порівняно з іншими типами машин, електричні машини мають найбільші значення ККД. Наприклад ККД асинхронного двигуна у середньому складає 85%, силового трансформатора підстанції 98%, а ККД двигунів внутрішнього згоряння порядку 40%, турбін – до 60%. Вказана обставина обумовлює широке розповсюдження електричних приводів, основою яких є електродвигуни.