Меню

Средний кпд двигателя постоянного тока

Коэффициент полезного действия машины постоянного тока

Дата публикации: 23 января 2013 .
Категория: Статьи.

Общие положения

Коэффициент полезного действия определяется как отношение полезной, или отдаваемой, мощности P2 к потребляемой мощности P1:

или в процентах

Современные электрические машины имеют высокий коэффициент полезного действия (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.; например, у двигателя постоянного тока мощностью 10 Вт к. п. д. 30 – 40%.

Рисунок 1. Зависимость коэффициента полезного действия электрической машины от нагрузки

Кривая к. п. д. электрической машины η = f(P2) сначала быстро растет с увеличением нагрузки, затем к. п. д. достигает максимального значения (обычно при нагрузке, близкой к номинальной) и при больших нагрузках уменьшается (рисунок 1). Последнее объясняется тем, что отдельные виды потерь (электрические Iа 2 rа и добавочные) растут быстрее, чем полезная мощность.

Прямой и косвенный методы определения коэффициента полезного действия

Прямой метод определения к. п. д. по экспериментальным значениям P1 и P2 согласно формуле (1) может дать существенную неточность, поскольку, во-первых, P1 и P2 являются близкими по значению и, во-вторых, их экспериментальное определение связано с погрешностями. Наибольшие трудности и погрешности вызывает измерение механической мощности.

Если, например, истинные значения мощности P1 = 1000 кВт и P2 = 950 кВт могут быть определены с точностью 2%, то вместо истинного значения к. п. д.

Поэтому ГОСТ 25941-83, «Машины электрические вращающиеся. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия», предписывает для машин с η% ≥ 85% косвенный метод определения к. п. д., при котором по экспериментальным данным определяется сумма потерь pΣ.

(3)

Применив здесь подстановку P1 = P2 + pΣ, получим другой вид формулы:

(4)

Так как более удобно и точно можно измерять электрические мощности (для двигателей P1 и для генераторов P2), то для двигателей более подходящей является формула (3) и для генераторов формула (4). Методы экспериментального определения отдельных потерь и суммы потерь pΣ описываются в стандартах на электрические машины и в руководствах по испытанию и исследованию электрических машин. Если даже pΣ определяется со значительно меньшей точностью, чем P1 или P2, при использовании вместо выражения (1) формул (3) и (4) получаются все же значительно более точные результаты.

Условия максимума коэффициента полезного действия

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 Iа², а в щеточных контактах – пропорционально Iа. Напряжение генератора при этом также приблизительно постоянно, и поэтому с определенной степенью точности P2Iа.

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

где коэффициент нагрузки

Определяет относительную величину нагрузки машины.

Суммарные потери также можно выразить через kнг:

где p – постоянные потери, не зависящие от нагрузки; p1 – значение потерь, зависящих от первой степени kнг при номинальной нагрузке; p2 – значение потерь, зависящих от квадрата kнг, при номинальной нагрузке.

Подставим P2 из (5) и pΣ из (7) в формулу к. п. д.

(8)

Установим, при каком значении kнг к. п. д. достигает максимального значения, для чего определим производную dη/dkнг по формуле (8) и приравняем ее к нулю:

Это уравнение удовлетворяется, когда его знаменатель равен бесконечности, т. е. при kнг = ∞. Этот случай не представляет интереса. Поэтому необходимо положить равным нулю числитель. При этом получим

Таким образом, к. п. д. будет максимальным при такой нагрузке, при которой переменные потери kнг² × p2, зависящие от квадрата нагрузки, становятся равными постоянным потерям p.

Значение коэффициента нагрузки при максимуме к. п. д., согласно формуле (9),

(10)

Если машина проектируется для заданного значения ηмакс, то, поскольку потери kнг × p1 обычно относительно малы, можно считать, что

Изменяя при этом соотношение потерь p и p2, можно достичь максимального значения к. п. д. при различных нагрузках. Если машина работает большей частью при нагрузках, близких к номинальной, то выгодно, чтобы значение kнг [смотрите формулу (10)] было близко к единице. Если машина работает в основном при малых нагрузках, то выгодно, чтобы значение kнг [смотрите формулу (10)] было соответственно меньше.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник

Потери и коэффициент полезного действия коллекторной машины постоянного тока

В машинах постоянного тока, как и в других электрических машинах, имеют место магнитные, электрические и механические потери (составляющие группу основных потерь) и добавочные потери.

Читайте также:  Тока бока бумажные сюрпризы

Магнитные потери происходят только в сердечнике якоря, так как только этот элемент магнитопровода машины постоянного тока подвергается перемагничиванию. Величина магнитных по­терь, состоящих из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов, зависит от частоты перемагничивания значений магнитной индукции в зубцах и спинке якоря, толщины листов электротехнической стали, ее магнитных свойств и качества изо­ляции этих листов в пакете якоря.

Электрические потери в коллекторной машине постоянного тока обусловлены нагревом обмоток и щеточного контакта. Поте­ри в цепи возбуждения определяются потерями в обмотке возбуж­дения и в реостате, включенном в цепь возбуждения:

Здесь — напряжение на зажимах цепи возбуждения. Потери в обмотках цепи якоря

где сопротивление обмоток в цепи якоря , приведенное к рас­четной рабочей температуре , определяется по (13.4) с учетом данных, приведенных в § 13.1 и § 8.4.

Электрические потери также имеют место и в контакте щеток:

где — переходное падение напряжения, В, на щетках обеих полярностей, принимаемое в соответствии с маркой щеток по табл. 27.1.

Электрические потери в цепи якоря и в щеточном контакте за­висят от нагрузки машины, поэтому эти потери называют пере­менными.

Механические потери. В машине постоянного тока механиче­ские потери складываются из потерь от трения щеток о коллектор

трения в подшипниках и на вентиляцию

где — коэффициент трения щеток о коллектор — поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором, м 2 ; — удельное давление, Н/м 2 , щетки [для машин общего назначе­ния =(2÷3)·10 4 Н/м 2 ];

окружная скорость коллектора (м/с) диаметром (м)

Механические и магнитные потери при стабильной частоте вращения можно считать постоянными.

Сумма магнитных и механических потерь составляют потери х.х.:

Если машина работает в качестве двигателя параллельного возбуждения в режиме х.х., то она потребляет из сети мощность

Однако ввиду небольшого значения тока электрические по­тери и весьма малы и обычно не превышают 3% потерь . Поэтому, не допуская заметной ошибки, можно записать , откуда потери х.х.

Таким образом, потери х.х. (магнитные и механические) могут быть определены экспериментально.

В машинах постоянного тока имеется ряд трудно учитывае­мых потерь — добавочных. Эти потери складываются из потерь от вихревых токов в меди обмоток, потерь в уравнительных соедине­ниях, в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке, в полюсных наконечниках, обусловленных пульса­цией основного потока из-за наличия зубцов якоря, и др. Добавоч­ные потери составляют хотя и небольшую, но не поддающуюся точному учету величину. Поэтому, согласно ГОСТу, в машинах без компенсационной обмотки значение добавочных потерь принимают равным 1% от полезной мощности для генераторов или 1% от подводимой мощности для двигателей. В машинах с компенсационной обмоткой значение добавочных потерь прини­мают равным соответственно 0,5%.

Мощность (Вт) на входе машины постоянного тока (подводимая мощность):

для генератора (механическая мощность)

где — вращающий момент приводного двигателя, Н∙м;

для двигателя (электрическая мощность)

Мощность (Вт) на выходе машины (полезная мощ­ность):

для генератора (электрическая мощность)

для двигателя (механическая мощность)

Здесь и — момент на валу электрической машины, Н-м; — частота вращения, об/мин.

Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия электрической машины представляет собой отношение мощностей отдаваемой (полезной) к подводимой (потребляе­мой) ,:

Определив суммарную мощность вышеперечисленных потерь

можно подсчитать КПД машины по одной из следующих формул:

Обычно КПД машин постоянного тока составляет 0,75—0,90 для машин мощностью от 1 до 100 кВт и 0,90—0,97 для машин мощностью свыше 100 кВт. Намного меньше КПД машин посто­янного тока малой мощности. Например, для машин мощностью от 5 до 50 Вт = 0,15÷0,50. Указанные значения КПД соответст­вуют номинальной нагрузке машины. Зависимость КПД маши­ны постоянного тока от нагрузки выражается графиком , форма которого характерна для электрических машин (рис. 29.13).

Рис. 29.13. Зависимость

Коэффициент полезного действия электрической машины можно определять: а) методом непосредственной нагрузки по ре­зультатам измерений подведенной и отдаваемой мощностей; б) косвенным методом по результатам измерений потерь.

Метод непосредственной нагрузки применим только для ма­шин малой мощности, для остальных случаев применяется кос­венный метод, как более точный и удобный. Установлено, что при > 80 % измерять КПД методом непосредственной нагрузки неце­лесообразно, так как он дает большую ошибку, чем косвенный метод.

Существует несколько кос­венных способов определения КПД. Наиболее прост способ хо­лостого хода двигателя, когда потребляемая машиной постоян­ного тока мощность затрачивает­ся только на потери х.х. [см. (29.26)]. Что же касается элек­трических потерь, то их определяют расчетным путем после пред­варительного измерения электрических сопротивлений обмоток и приведения их к рабочей температуре.

Пример 29.1. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения (см. рис. 29.3) включен в сеть с напряжением 220 В. При номинальной нагрузке и частоте вращения об/мин он потребляет ток = 43 А. Определить КПД двигателя при номинальной нагрузке, если ток х.х. = 4 А, а сопротивления цепей якоря = 0,25 Ом и возбуждения = 150 Ом. При каком добавочном сопротивлении , включенном последовательно в цепь якоря, частота вращения двигателя будет = 1000 об/мин (нагрузочный момент )?

Читайте также:  Как оказывать первую доврачебную помощь при поражении током

Решение. Ток возбуждения = 220/150 =1,47 А. Ток якоря в ре­жиме х.х. = 4 — 1,47 = 2,53 А. Ток якоря номинальный = 43 — 1,47 = 41,53 А. Сумма магнитных и механических потерь = 220- 2,53 -2,53 2 — 0,25 = 555 Вт. Электрические потери в цепи возбуждения по (29.18)

Электрические потери в цепи якоря по (29.19)

Электрические потери в щеточном контакте по (29.20)

Подводимая к двигателю мощность по (29.28)

Суммарные потери по (29.31)

Полезная мощность двигателя

КПД двигателя при номинальной нагрузке

Из выражения (29.5) получим

ЭДС якоря при частоте вращения 1000 об/мин по (25.20)

Так как ток якоря прямо пропорционален моменту [см (25.24)], то при сила тока после включения останется прежней А. Из выражения тока якоря (29.2) получим

Электрические потери в добавочном сопротивлении

Полезная мощность двигателя при частоте вращения 1000 об/мин

Расчет полезной мощности является приближенным, так как он не учиты­вает уменьшение механических потерь двигателя при его переходе на меньшую частоту вращения.

§ 29.9. Машины постоянного тока серий 4П и 2П

Стремительное развитие автоматизации производства привело к необходимости создания двигателей постоянного тока с широ­ким диапазоном регулирования частоты вращения (до 1:1000) с хорошими динамическими свойствами. Этим требованиям соот­ветствуют двигатели серии 4П. Серия охватывает двигатели с вы­сотой оси вращения от 80 до 450 мм следующих модификаций.

Двигатели типа 4ПО и 4ПБ охватывают диапазон мощности от 0,126 до 5,5 кВт при номинальной частоте вращения от 750 до 3000 об/мин. Двигатели допускают регулирование частоты враще­ния вниз от номинальной уменьшением напряжения на обмотке якоря при снижении тока до 0,5 . А так же вверх от номиналь­ной (уменьшением тока возбуждения) в пределах максимальной частоты вращения, которая превышает номинальную в среднем в 1,35— 1,8 раза.

Конструкция этих двигателей унифицирована с асинхронны­ми двигателями серии 4А. Это позволило применить для произ­водства некоторых узлов двигателей типа 4ПО и 4ПБ технологи­ческое оборудование, применяемое в производстве двигателей серии 4А. В унифицированной конструкции этих двигателей магнитопровод статора неявнополюсный с распределенными в пазах обмотками. Так, обмотка возбуждения (независимая) укладывает­ся в два паза в пределах каждого полюсного деления, остальные пазы занимает компенсационная обмотка. В двигателях типа 4ПО и 4ПБ и двигателях серии одинакового габарита могут быть применены одинаковые станины, задние подшипниковые шиты, коробки выводов, подшипники и т. п.

Применение распределенных обмоток на статоре двигателей типа 4ПО и 4ПБ улучшило процесс охлаждения и позволило уве­личить токовые нагрузки на обмотки возбуждения и компенсаци­онную. Кроме того, распределенная конструкция обмоток статора способствует лучшей компенсации реакции якоря и улучшению коммутации.

Двигатели постоянного тока типов 4ПО и 4ПБ имеют закры­тое исполнение со степенью защиты IР44 со способами охлаждения IС0141 (наружный обдув) в двигателях типа 4ПО (рис. 29.14) и IС0041 (естественное охлаждение) в двигателях типа 4ПБ.

Рис. 29.14. Двигатель постоянного тока типа 4IIО унифицированной конструкции;

/ — корпус; 2 — магнитопровод статора с распределенными обмотками; 3 — шит подшипниковый передний; 4 — сердечник якоря; 5 — вентилятор, 6 — ко­жух вентилятора; 7 — коробка выводов; 8 — коллектор, 9 — траверса.

Широкорегулируемые двигатели типа 4ПФ предназначены для привода станков с программным управлением, роботизиро­ванных производственных комплексов. Исполнение двигателей по степени защиты IР23 (защищенные), способ охлаждения IС06 (независимая вентиляция). Двигатели охватывают номинальные мощности от 2,0 до 250 кВт при высоте оси вращения от 112 до 250 мм. Напряжение питания 220 и 440 В. Регулирование частоты вращения возможно изменением подводимого к обмотке якоря напряжения от 0 до 460 В. Допускается также регулирование частоты вращения ослаблением поля возбуждения (уменьшением тока в обмотке возбуждения).

Статор двигателей восьмигранный шихтованный, явнополюсный (рис. 29.15). Пакет статора запрессован между двумя нажимными плитами толщиной 10 мм. Подшипниковые шиты литые чугунные.

Рис. 29.15. Двигатель постоянного тока типа 4ПФ:

1 — траверса; 2 — вентилятор наружный; 3 — коллектор; 4 — обмоткодержатель якоря; 5 — нажимная плита статора; 6 — подшипниковый щит; 7 — обмотка ком­пенсационная; 8 — дополнительный полюс; 9 — статор; 10 — обмотка независи­мого возбуждения; 11 — балансировочное кольцо

Катушки возбуждения намотаны на главные полюса, катушки дополнительной обмотки надеты на добавочные полюса, компенсационная обмотка расположена в пазах полюсных наконечников.

Наружный вентилятор может быть снабжен фильтром для очистки воздуха от пыли и мелких частиц. Вентилятор располо­жен на боковой или торцевой поверхности со стороны коллектора.

Крупные двигатели 4П для тяжелых условий эксплуатации предназначены для привода крупных металлорежущих станков, механизмов металлургического производства, с частыми пусками, остановками, реверсами, набросами и неравномерностью нагруз­ки. Двигатели изготавливаются с высотой оси вращения 355 и 450 мм мощностью от 110 до 800 кВт; напряжение питания 440 и 600 В. Возбуждение независимое напряжением 220 В. Вентиляция от постороннего вентилятора. Двигатели имеют степень защиты IР44 и IР23.

Читайте также:  Lm393 защита по току через трансформатор тока

Источник

Какой КПД у электродвигателя

Современные модели электрических двигателей характеризуются высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Тем не менее, работа двигателя любой модели сопровождается выделением теплоты в процессе преобразования электроэнергии в энергию механическую. Локальные потери мощности могут происходить:

  • в деталях из стали;
  • в обмотках.

Показатели мощности в результате неизбежно снижаются, не достигая максимально возможных. В этой статье перечислены основные факторы, от которых зависит, какой КПД у электродвигателя.

Какой КПД у электродвигателя: принцип расчёта

Существует несколько методов определения КПД электродвигателя. Если использовать для расчета показатели полезной и потребляемой мощности электродвигателя, то их соотношение и составит искомую величину, которая может быть:

  • 0,75-0,9 (если мощность агрегата не выше 100 кВт);
  • до 0,97 (для более мощных моделей).

Существует также косвенный метод расчета коэффициента полезного действия, который основан на определении суммарных потерь мощности.

Потери мощности — основные виды

Значимые потери мощности, от которых зависит величина КПД электродвигателя, делятся на следующие группы:

  • магнитные (относятся к постоянным);
  • электрические (постоянными не являются);
  • механические (постоянные).

Помимо основных, наблюдаются также добавочные потери (например, в полюсных наконечниках), которые сложно поддаются точному расчету. Незначительный уровень таких потерь позволяет принять их сумму условно равной 0,5-1 % и учитывать это значение при расчете общей величины КПД.

Остановимся подробнее на основных разновидностях потерь мощности.

Магнитные, электрические и механические потери

Значение магнитных потерь, которые происходят в результате перемагничивания якорного сердечника, складывается из показателей потерь от вихревых токов в стали и от гистерезиса. От толщины стальных листов, из которых изготовлен сердечник, и качества изоляции может зависеть исходная величина. Также на объем магнитных потерь влияет частота, с которой происходит перемагничивание.

Электрические потери, показатели которых меняются с изменением уровня нагрузки оборудования, происходят:

  • в якорных обмотках;
  • в щетках;
  • в цепях возбуждения.

Основной причиной механических потерь является трение разных видов. Это может быть трение в подшипниках, а также трение щеток о контактные кольца и коллектор, трение ротора и пр. Потери также возникают в процессе вентиляции. Механические и электрические потери воздействуют на эффективность эксплуатируемого двигателя в наибольшей степени.

Изменение КПД двигателя

В процессе работы асинхронного двигателя значение КПД не остается постоянной величиной. Показатели меняются, быстро достигая пиковой величины (при нагрузке, составляющей примерно 80% от номинальной) и далее постепенно снижаясь. Это объясняется существенным ростом электрических потерь, который наблюдается при нагрузках.

Чтобы повысить среднюю величину КПД, необходимо снизить потери мощности. Для этого существует ряд возможностей:

  • механические потери сокращаются, если использовать современные материалы с более совершенными эксплуатационными характеристиками;
  • электрические потери будут ниже, если двигатель работает при малых скольжениях.

Поскольку коэффициент полезного действия является определяющим параметром для экономичности эксплуатации оборудования, в процессе разработки новых моделей электродвигателей конструкторы ставят своей целью минимизировать неизбежные потери мощности и добиться повышения КПД.

Источник



Вопрос 4. КПД двигателя постоянного тока

date image2015-05-26
views image2186

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

В машинах постоянного тока при работе происходит потеря энергии, которая складывается из трех составляющих:

1) Потери в стали Рст, возникающие в сердечнике якоря. При вращении якоря в его сердечнике индуктируются вихревые токи, а сталь сердечника непрерывно перемагничивается. На это затрачивается мощность. Потери в стали обращаются в тепло и нагревают сердечник якоря.

2) Потери энергии на нагревание проводов обмоток возбуждения и якоря проходящими по ним токами, называемые потерями в меди, — Робм. Потери в обмотке якоря и в щеточных контактах зависят от тока в якоре, т. е. являются переменными — меняются при изменениях нагрузки.

3) Механические потери Рмех, представляющие собой потери энергии на трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и щеток о коллектор. Эти потери зависят от частоты вращения якоря машины. Поэтому механические потери постоянны, не зависят от нагрузки.

Кпд машины в процентах:

где — полезная мощность; — потребляемая машиной мощность.

При работе машины двигателем:

Потребляемая мощность: = UI, где U — напряжение питающей сети; I — ток, потребляемый двигателем из сети.

= — Pст — Pобм — Pмех = UI — Pст — Pобм – Pмех.

Контрольные вопросы 1. Дать определение двигателю постоянного тока. 2. Объяснить принцип действия двигателя постоянного тока. 3. Объяснить правило левой руки и применить его для определения направления вращения якоря двигателя. 4. Рассказать какие способы возбуждения двигателей постоянного тока вам известны?

5. Рассказать о способах регулирования частоты вращения якоря двигателя постоянного тока.

6. Записать формулу для определения КПД работы машины.

7. Привести примеры использования двигателей постоянного тока в зависимости их рабочих характеристик.

8. Какие способы смягчения пусковых моментов вам известны.

Источник