1.6 Потери энергии и коэффициент полезного действия

Любое преобразование энергии, в том числе и электромеханическое, сопровождается потерями, т.е. тепловыделением в различных элементах машины. Имеет место три основных вида потерь: механические, магнитные и электрические;

Механические потери обусловлены трением в подшипниках, скользящих электрических контактах, а также затраты на вентиляцию. Механические потери определяются только частотой вращения и не зависят от величины нагрузки (тока обмотки якоря).

Потери в подшипниках определяются их типом (качения - скольжения, шариковые – роликовые), состояние трущихся поверхностей, видом смазки.

Потери на трение в щёточных контактах

,

где - коэффициент трения;

- удельное давление на щетку;

- площадь контактной поверхности всех щеток;

- окружная скорость коллектора:

где - диаметр коллектора;

- скорость вращения коллектора в об/мин.

В самовентилируемых машинах потери на вентиляцию определяются по эмпирической формуле:

где коэффициент зависит от конструкции машин;

-расход воздуха;

- окружная скорость вентилятора по наружному диаметру лопаток.

Общие механические потери:

В машинах средней мощности (10÷500 кВт) эти потери приблизительно составляют 2 ÷ 0,5 % от номинальной мощности.

Магнитные потери включают в себя потери на гистирезис (перемагничивание) и вихревые токи.

Потери на гистерезисе определяются площадью его петли, пропорциональны частоте и квадрату индукции

Потери на вихревые токи:

где К - коэффициент определяемый качеством стали магнитопровода;

- толщина листов шихтовки магнитопровода;

- удельное электрическое сопротивление материала магнитопровода.

К магнитным потерям добавляются некоторые неучтенные потери

Таким образом, магнитные потери в электрических машинах:

В общем виде:

Существующие электрические стали имеют магнитные потери 1 ÷ 2,5 Вт/кг при = 1 Тл, = 50 Гц.

Электрические потери , или потери в обмотках, Они зависят от нагрузки электрической машины. В свою очередь сопротивление обмотки зависит от его температуры.

КПД электрической машины:

где , - подведённая и полезная мощности соответственно;

Составляющие потерь приблизительно:

общих потерь

КПД электрических машин колеблется в пределах 0,7 до 0,985

1.7 Нагревание и охлаждение электрических машин

Решающую роль при работе электрической машины играет нагрев его обмоток. Этот нагрев, как отличалось обусловлен различными потерями (потери в обмотках статора и ротора, на гистерезис, трение и т.п.), которые учитываются коэффициентом полезного действия:

где - суммарная мощность потерь в электродвигателе, превращающаяся в тепло;

- номинальная мощность электродвигателя;

- номинальный КПД электродвигателя.

Вследствие непрерывного выделения тепла при работе двигателя его температура постепенно повышается. Данное повышение продолжается до тех пор, пока количество тепла, отдаваемое поверхностью двигателя окружающей среде, не будет равным количеству тепла, возникающего в электродвигателе. Наибольшая допустимая температура двигателя ограничивается термической стойкостью изоляции его обмотки, которая является самым ответственным элементом машины, определяющим срок службы электродвигателя с максимальным использованием его мощности. Изоляционные материалы, обмоток применяемые в электрических машинах, делятся по нагревостойкости на основные классы, которые показаны в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Классы изоляции обмоток по нагревостойкости

Класс изоляции	А	В	Е	F	H	C
Предельно допустимая температура,	105	120	130	135	180	Более 180

В настоящее время наибольшее количество двигателей изготавливаются с изоляцией классов В и F. К классу В относятся слюда, асбест, стеклянное волокно и др. неорганические материалы. Изоляция класса F включает те же изоляционные материалы, что и для класса В, но сочетание с синтетическими связующими и пропитывающими составами, модифицированными кремнийорганическими соединениями.

Для двигателей нормируется не допустимая температура обмотки и др. частей машины, а допустимое превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды. Эта величина определяется разностью между предельно допустимой температурой и стандартной температурой окружающей среды, которая равна 40 (установлены ГОСТ).

где - допустимое превышение температуры,

- предельно - допустимая температура,

- стандартная температура окружающей среды (40).

Исследование тепловых переходных процессов в двигателе производится при следующих допущениях:

1. двигатель представляет собой однородное тело с одинаковой теплоемкостью по всему объёму и одинаковой теплоотдачей по всей поверхностью;

2. теплоотдача во внешнюю среду пропорциональна первой степени разности температур двигателя и окружающей среды;

3. температура окружающей среды постоянна;

4. теплоёмкость двигателя, мощность тепловых потерь и теплоотдача не зависят от температуры двигателя.

Уравнение теплового баланса двигателя при неизменной нагрузке и при приведённых допущениях имеет вид

где – количество теплоты, выделяемое двигателем в единицу времени ();

– теплоотдача двигателя – количество теплоты, отдаваемое двигателем в окружающую среду в единицу времени при разности в 1;

– превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды;

– теплоёмкость двигателя – количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на 1 .

Уравнение теплового баланса показывает, что выделяемое в машине тепло расходуется на повышение температуры двигателя на за время (член ), а часть тепла передается окружающей среде ().

Решение дифференциального уравнения при начальных условиях, имеет следующий вид

где - соответственно конечное (установившееся) и начальное значение превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды.

- постоянная времени нагрева двигателя – время, в течение которого превышение температуры от достигло бы установившегося значения при и отсутствии теплоотдачи в окружающую среду,. Если, то

На рисунке 1.3 приведены кривые 1 и 2 нагрева двигателя, соответственно для и при одной и той же

Рисунок 1.3 Тепловые переходные процессы при нагреве двигателя

Если двигатель будет нагружен меньше (), то этому случаю отвечает кривая 3 при условии, что. Если предположить, что процесс нагрева двигателя происходит без отдачи тепла в окружающую среду, то превышение температуры его будет изменяться по линейному закону. Отсюда следует, что постоянная времени нагрева (охлаждения) двигателя равна отрезку, заключенному между перпендикуляром к оси абсцисс, проведённым через точку касания касательной к экспоненциальной кривой , и точкой пересечения этой касательной с осью ординат.

Уравнение охлаждения электродвигателя можно получить из предыдущего выражения, если принять .

где - постоянная времени охлаждения двигателя.

Рисунок 1.4 Тепловые переходные процессы охлаждения двигателя

На рисунке 1.4 представлены кривые процесса охлаждения. Здесь кривая 1 соответствует уменьшению нагрузки, а кривая 2 – отключению двигателя от сети. Кривая 3 – отключению двигателя от сети при начальной температуре двигателя .

В реальных условиях, как показывают эксперименты, экспоненциальная кривая нагрева отличается от теоретической. В начале процесса действительный нагрев идёт быстрее, чем это предусмотрено теоретической кривой. Только при температуре 0,5…0,6 до действительная кривая приближается к экспоненциальной. Поэтому точнее пользоваться средним значением из трёх полученных методом трех касательных: в начале процесса, при; ; .

Постоянная времени охлаждения больше постоянной времени нагрева в 2…3 раза по причине ухудшения условий теплопередачи.

Вопросы для самопроверки по главе

1. Что изучает электромеханика?

2. Какие устройства осуществляют электромеханическое преобразование энергии (ЭМП)?

3. Взаимосвязь каких явлений обуславливает электромеханическое преобразование энергии?

4. Закон электромагнитной индукции по Максвеллу. Напишите математическое описание.

5. Перечислите условия возникновения ЭДС.

6. Отличие ЭДС пульсации от ЭДС движения.

7. Что выступает в качестве энергоносителя в электромеханических преобразованиях энергии?

8. Как можно определить направление ЭДС в проводнике пересекающем магнитные силовые линии?

9. Закон Ампера в математической форме.

10. От чего зависит направление электромагнитной силы действующей на проводник с током в магнитном поле?

11. Справедливо ли утверждение, что КПД ЭМП не может быть больше 100%?

12. Что понимается под принципом обратимости электрических машин?

13. Какие основные физические элементы необходимы для реализации ЭМП?

14. Отличие волновой обмотки от петлевой.

15. Шаг обмотки (результирующий, частичные), соотношения между ними.

16. Потери энергии в ЭМП.

17. Методы уменьшения потерь в магнитопроводе ЭМП.

18. Зависимость КПД электрической машины от нагрузки.

19. Уравнение теплового баланса электрической машины.

20. Постоянные нагреватели и охлаждения электрической машины.

21. Чем определяется предельное значение температуры обмоток электрической машины?

22. Какие основные активные и изоляционные материалы используются в электрических машинах?