Лекции Егорова по машинам / Общие вопросы теории электрических машин

Общие вопросы теории электрических машин

Электрическая машина—электротехническое устройство, работающее на основе электромагнитной индукции и предназначенное для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот или для изменения параметров электрического сигнала.

По роду тока машины делятся на машины постоянного и переменного тока. По мощности: микромашины до 10 Вт, машины малой мощности и машины большой мощности. Иногда квалифицируют по характеру магнитного поля: машины с постоянным полем; машины с пульсирующим полем (тахогенераторы, трансформаторы); машины с вращающимся магнитным полем (асинхронные, синхронные машины). Также есть деление на подвижные, поворачивающиеся и вращающиеся.

Номинальной мощностью называется мощность, на которую рассчитана машина в номинальном режиме. Для двигателя номинальной мощностью является мощность на валу, для трансформаторов—мощность, потребляемая из питающей сети, для генераторов—мощность, снимаемая с якоря.

Любая машина имеет паспортные и каталожные данные. В паспортных данных указывается вид машины, номинальный режим работы (например, асинхронный генератор), обозначение, например:

4А132М4У3

• 4А—номер серии

• 132-некоторый размер

• М-модификация ротора

• 4—число полюсов

• У—категория размещения:

1—на открытом воздухе

2—под навесом (закрыто от прямого попадания воды, частично от солнца)

3—сухие, не отапливаемые помещения

4—помещения с искусственным климатом (отапливаемые помещения)

5—помещения с повышенной влажностью.

Далее в паспортных данных указывается номинальное напряжение (U_ном), иногда—номинальный ток (I_ном), номинальный КПД (_ном) и номинальный cos. В некоторых случаях указывается группа соединения обмоток. Для двигателей и генераторов указывается номинальная скорость вращения. S (1-7)—нагрев машины. S1—постоянный режим работы.

Исполнение электрических машин по степени защиты от прикосновения, попадания механических частиц и воды. Условное обозначение.

IP22, где первая цифра указывает степень защиты от прикосновения и попадания механических частиц. Цифры от 0 до 6. 0—отсутствие защиты, 1—исключено попадание предметов диаметра >5 мм, 6—герметично по пыли. Вторая цифра указывает степень защиты от попадания воды. Цифры от 0 до 7. 0—защита отсутствует, 1—защита от вертикально падающих капель, 7—погруженное исполнение.

Назначение основных функциональных элементов электрических машин. Конструктивные элементы. Конструкционные материалы.

Любая машина состоит из определенных элементов. Выделяют:

-неподвижная часть—статор;

-подвижная часть—ротор.

Для взаимной подвижности служат подшипники (качения, скольжения). Подшипники используются на машинах малой и большой мощности. Для связи вращающегося ротора с внешней сетью используются различные узлы токосъема (щетки, контактные кольца или коллектор). Обмотки машины медные, изолированные друг от друга лаком или в тканевой изоляции. Реже используются алюминиевые обмотки. Контактные кольца—из меди, щетки—из графита, металло-графита или металлические.

Функциональные элементы.

-якорь—в якоре происходит преобразование одного вида энергии в другой;

-индуктор—часть машины, создающая магнитное поле.

Режимы работы вращающихся электрических машин.

Механические характеристики—зависимость частоты вращения ротора от момента на валу машины. Выделяют три основных режима работы: двигательный, генераторный и тормозной. Рис.1

Границами между режимами—точка ₀ (точка идеального холостого хода). Рис.2

Рис.3

Любая характеристика, снятая при номинальном напряжении, частоте и др.—называется естественной, любая другая—искусственная.

Генераторный режим. Рис.4

Активные части машины—обмотки, магнитопроводы. Любой ферромагнетик можно охарактеризовать. Рис.8, 9

На первом линейном участке—упругая деформация (при снятии внешнего магнитного поля образец возвращается в исходное состояние). На участке 2—пластичная деформация (при снятии внешнего магнитного поля присутствует остаточная намагниченность). На участке 3 образец ведет себя не как ферромагнетик. На участке 4—присутствие петли гистерезиса. Рис.10, 11

Каждая часть—домен, представляют собой маленькие магниты.

Потери энергии в электрических машинах.

Любая электрическая машина является преобразователем энергии. КПД э.м. весьма высок. Для машин средней и большой мощности КПД составляет 0,9-0,99. Потери энергии приводят к нагреву.

Нагрузка э.м. характеризуется током ее якоря. Чем больше ток, тем больше машина нагружена. Момент на валу пропорционален либо самому току якоря, либо ее активной составляющей. Потери в э.м. разделяют на условно постоянные и переменные. Постоянные потери не зависят от нагрузки машины, переменные—существенно зависят. Для машин средней и большой мощности переменные потери составляют обычно большую долю общих потерь (60-70%).

Введем некоторые обозначения:

P₁—мощность, потребляемая из сети (двигатель), либо идущая в сеть (генератор).

P₂—мощность на валу машины.

P—потери.

По физической природе потери разделяют на: электрические потери и магнитные потери. Возникновение их обусловлено протеканием тока по проводникам. Определяются как I²R, где R—активное сопротивление, I—ток в обмотке. Наибольший протекающий в машине ток—ток якоря. Потери электрические пропорциональны I². Электрические потери растут быстрее, чем растет нагрузка машины.

, индекс «» относится к якорю.

P ~ ², где —коэффициент нагрузки.

В номинальном режиме работы машины в ней преобладают электрические потери. Их величина соответствует величине переменных потерь иногда электрические потери называют также потерями КЗ или потерями в меди.

Магнитные потери:

В номинальном режиме составляют от 25 до 35% от общих потерь. Магнитные потери разделяются на потери перемагничивания или гистерезисные и потери от вихревых токов или от токов Фуко. Магнитные потери—потери в стали машины или еще потери холостого хода. Если магнитное поле не изменяется, то магнитных потерь не будет. Магнитные потери могут возникать, если какая-либо часть машины перемещается в магнитном поле, могут возникать, если магнитное поле изменяется по величине или возникают при регулировании машины, могут возникать при переменности магнитного поля, при вращении магнитного поля.

Гистерезисные потери

Возникают при изменении границ доменов. Они пропорциональны квадрату магнитной индукции в магнитопроводе, пропорциональны частоте перемагничивания.

, где P_М—магнитные потери, P_Г—гистерезисные потери, P_В.Т.—потери от токов Фуко.

P_Г ~ B²*f

Потери от вихревых токов.

Возникают в результате того, что переменное магнитное поле порождает вихревое магнитное поле. Рис.12

Вихревой ток ~ вихревой ЭДС, соответственно—потери вихревых токов ~ вихревым ЭДС. Величина вихревой ЭДС ~ B²*f². P_В.Т. ~ B²*f².

Величина магнитных потерь пропорциональна квадрату магнитной индукции и пропорциональна полиному второй степени от частоты перемагничивания. Достаточно часто предполагают, что:

P_М ~ B²*f^1,3 (физического смысла формула не имеет).

В гистерезисные потери в явном виде ток якоря не входит. Магнитное поле в машине создается индуктором. Величина магнитной индукции не зависит или слабо зависит от тока якоря и соответственно от нагрузки машины. Таким образом, магнитные потери можно отнести к постоянным потерям.

Механические потери. Добавочные потери.

Существуют только во вращающихся машинах. Суммарный вклад в общие потери в номинальном режиме – 5-7%. Возникают от трения вращающихся частей машины и разделены на потери от трения подшипников и потери от трения о воздух. Момент от трения подшипников не зависит от угловой скорости ротора. Тогда можно сказать, что мощность потерь от трения подшипников пропорциональна угловой скорости вращающегося ротора. Потери от трения о воздух называются также вентиляционными. Момент вентиляционных потерь ~ ², следовательно, мощность ~ ³. Тогда механические потери пропорциональны полиному третьей степени.

P_МЕХ ~ а+b³

Для высокоскоростных машин вентиляционные потери составляют 60% от механических.

Добавочные потери по природе своей магнитные. Обусловлены пульсацией магнитного поля, которая обусловлена зубчатым строением статора и ротора. И механические и добавочные потери относят к постоянным.

КПД

P₀—постоянные потери

КПД достигает максимального значения при такой нагрузке, когда переменные потери равны постоянным. Для того чтобы посмотреть режим машин, нарисуем энергетические диаграммы. Энергетическая схема—это диаграмма, показывающая распределение потока энергии в машине.

Рис13 Для двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Рис.14 Для синхронного генератора с независимым возбуждением

Энергетическая диаграмма режима рекуперативного торможения не отличается от энергетической диаграммы генераторного режима для той же машины. Для синхронной машины такой режим нереализуем.

Рис.15 Для режима динамического торможения для машины постоянного тока независимого возбуждения

Рис. 16 Режим торможения противовключением

Общие вопросы регулирования частоты вращения электрических машин.

Регулирование—это принудительное изменение частоты вращения, не зависящее от изменения нагрузки машины.

Регулирование всегда связано с переводом машины с естественной характеристики на искусственную, либо с одной искусственной на другую. Есть несколько способов регулирования: регулирование с постоянным моментом—допустимый момент сопротивления на валу машины неизменен; с постоянной мощностью—допустимая мощность на валу машины неизменна.

Рис.17

Направление регулирования—вверх или вниз от номинальной скорости.

Диапазон регулирования—отношение угловой скорости на естественной характеристике к предельно допустимой угловой скорости на искусственной характеристике (например, 1:2,5—вверх от номинальной скорости, 10:1—вниз от номинальной скорости).

Плавность регулирования—оценивается качественно. Характеризует ступень между двумя соседними механическими характеристиками.

Стабильность регулирования—оценивается по изменению жесткости механической характеристики при том или другом способе регулирования.

Экономичность регулирования—оценивается по 2 параметрам—оценка изменения КПД машины при переходе с естественной характеристики на искусственную и затраты на осуществление регулирования.

Некоторые параметры конструкционных материалов:

	удельная теплоемкость (Дж/кг*К)	плотность (кг/м3)
медь	411	8800
алюминий	804	2710
сталь	505	7870

Нагрев и охлаждение электрических машин

Все потери идут на нагрев машины. В единицу времени в машине выделяется энергия: Pdt. Эта энергия расходуется на нагрев машины и доля энергии уходит в окружающую среду. C—теплоемкость. с—удельная теплоемкость.

, где

А—коэффициент теплоотдачи машины.

С*d—энергия, расходуемая на нагрев.

А*dt—доля энергии, уходящая в окружающую среду.

Не учитывается неоднородность машины, то есть мы предполагаем, что потери в машине распределяются равномерно. Но греются ведь только активные части, но и они тоже неравномерно, неактивные части не греются. Следовательно, нужно учесть выделение потерь в разных частях машины в разном количестве, нужно учесть неоднородность машины и различные теплопроводности различных частей. Теплоемкости представлены конденсаторами, теплопроводности—резисторами.

C=G*c, где G—масса машины.

Теплоотдача А зависит от разности температур  (разность температур между машиной и окружающей средой), от площади контакта машины с окружающей средой—S, —коэффициент теплоотдачи. []=Вт/м²*К

A=*S*

15 Вт/м²*К (средняя примерная величина)

Pdt=Gcd+Sdt (1)

при t Pdt= S_устdt  _уст=P/S* , где _уст—установившееся значение. _уст будет тем больше, чем больше S. (В машинах для увеличения S делают оребрение). Разделим (1) на S*:

(—размерность времени)

когда t⁰C машины = t⁰C окружающей среды, т.о. при включении машины энергия расходуется только на нагрев, в окружающую среду ничего не идет.  задает касательную кривой нагрева при t=0 и в том только случае, если сначала машина не имела никакой температуры перегрева,  была равна 0.

при t=0 =₀

Получается, что машина греется до какой-то своей предельной температуры и одновременно остывает до температуры окружающей среды. Как нагрев, так и остывание происходят по экспоненте. Рис. 18.

Допустимый темп перегрева машины определяется классом ее изоляции.

класс изоляции	допустимая абсолютная t0С
Y	90 0C
A	105 0C
E	120 0C
B	135 0C
F	155 0C
H	180 0C
C	>180 0C

Превышение температуры на 8⁰C для трех первых классов, на 9⁰C для двух следующих и на 12⁰C для всех остальных, увеличивает срок старения изоляции в два раза. Постоянная времени нагрева зависит от мощности (чем меньше мощность, тем больше масса). Время нагрева  увеличивается с минут до часов с увеличением габаритов машины и увеличением мощности.

Для вращающихся машин постоянная времени нагрева обычно не совпадает с постоянной времени охлаждения. Постоянная времени нагрева обычно больше, чем постоянная времени охлаждения.

В зависимости от условий нагрева различают ряд режимов машины (так называемые режимы по условию нагрева машины).

1. Продолжительный режим работы машины. Отличается тем, что за время включения машина успевает достичь своей установившейся температуры. Режим—S₁. Рис.19

2. Кратковременный режим работы. Машина за время включения не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы успевает остыть. Режим—S₂. Рис.20.

Поскольку в большинстве случаев нагрев машины ограничивается ее нагревом, то в режиме S₂ машина может быть загружена значительно больше, чем она же в продолжительном режиме. Для S₂ устанавливается максимальное время включения и минимальное время паузы.

3. Повторно-кратковременный режим. Характеризуется тем, что за время включения машина не успевает полностью нагреться, а за время паузы не успевает полностью остыть. Режим—S₃. Рис.21.

В S₃ допустимая загрузка может быть выше, чем в S₁.

ПВ—повторность включения

Т_Ц—время цикла

Т_В—время включения

Т_П—время паузы

Существуют повторно-кратковременные режимы, где во время паузы машина не выключается, а работает на холостом ходу; возможны режимы работы, связанные с реверсом машины; режимы, связанные с частотой работы машины.