Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

термопластика выше, чем микаленты, но он имеет более сложную технологию

изготовления. Изделия из слюды, асбеста и стеклянного волокна, на основе синтетических

пропитывающих составов, принадлежат к электроизоляционным материалам класса F, их

допустимая температура нагрева 155° С. Те же материалы, применяемые в сочетании с

кремнийорганическими связывающими и пропитывающими веществами, принадлежат к

классу Н, допустимая температура нагрева которого 180° С. Кремнийорганическая

изоляция является особенно перспективной, хотя она в настоящее время относительно

дорога.

К материалам класса С относятся изделия из слюды, стекла, стекловолокна, фарфора и

других неорганических материалов без примеси органических связывающих веществ.

Допустимая температура для материалов этого класса не ограничивается.



§ 1.5. ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

Классификация потерь. При работе электрической машины в ее активных материалах

возникают потери энергии. К ним относятся магнитные потери в стали магнитопровода и

электрические потери в проводниках обмоток. При вращении машины возникают

механические потери, вызываемые трением. Кроме того, имеют место добавочные потери

в обмотках и в стали магнитопровода.

Магнитные потери. Явление электромагнитной индукции связано с изменением

магнитного потока, вследствие чего на участках магнитопровода возникают потери на

перемагничивание и вихревые токи. Потери на перемагничивание зависят от характера

перемагничивания, которое может быть вращательным (возникающим при вращении

стального магнитопровода в магнитном поле), циклическим (производимое переменным

током) и статическим (при медлен

ном изменении намагничивающего тока в

определенных пределах). Потери на вихревые токи в листах стали зависят от свойств

материала и толщины листов. Для снижения этих потерь уменьшают толщину листов и

изолируют их друг от друга.

При расчете потери на перемагничивание и вихревые токи обычно не разделяют. Потери в

стали рассчитывают отдельно для каждого участка магни

топровода, имеющего

одинаковую магнитную индук-

Механические потери. Механические потери Р

мех

складываются из потерь на трение в

подшипниках и на трение в скользящих контактах между щетками и коллектором или

контактными кольцами, а также из потерь на вентиляцию. Потери на трение зависят от

материала трущихся деталей, механического давления на поверхность трения, состояния

этой поверхности и скорости вращения вала машины. Потери в скользящих контактах

зависят от сорта щеток и давления на щетки. Потери в шариковых и роликовых

подшипниках составляют около 10% от потерь в подшипниках скольжения.

Точный расчет потерь на трение весьма сложен, поэтому на заводах обычно пользуются

опытными данными. Потери на трение

Рис. 1.7. Энергетическая диаграмма

вращающихся частей о воздух и вентиляцию обычно определяют также на основе

опытных данных. В микромашинах потери на трение имеют значительно большую

относительную величину, чем в других электрических машинах.

Добавочные потери. Добавочные потери Р

вызываются неравномерным распределением

тока по сечению меди в обмотках и потока в магнитопроводе. Кроме того, добавочные

потери возникают в поверхностных слоях магнитопровода при различных пульсациях

потока которые могут быть вызваны зубчатостью ротора или статора. Добавочные потери

возникают также в стяжных болтах гайках, скобах и других деталях и конструктивных

элементах машины, по которым могут замыкаться какие-либо пульсирующие потоки.

В короткозамкнутых роторах асинхронных двигателей возникают добавочные потери

вследствие растекания токов между неизолированными стержнями клетки ротора по

листам стального пакета магнитопровода.

Расчет добавочных потерь представляет большие трудности, поэтому часто они

определяются приближенно (0,5—2% номинальной мощности машины).

Энергетическая диаграмма и коэффициент полезного действия. На энергетической

диаграмме (рис. 1.7) сх

ематично показан баланс

мощностей электрической машины. Здесь P

— подведенная к машине мощность,

которую называют первичной или потребляемой, Р

— отдаваемая машиной мощность,

называемая вторичной или полезной. В случае генераторного режима P

— механическая

мощность первичного двигателя, Р

— электрическая мощность, отдаваемая генератором

в сеть. В случае двигательного режима Р

— электрическая мощность, которая

потребляется из сети, Р

— механическая мощность на валу двигателя. На диаграмме

видно, что

Рис. 1.8. Изменение превышения температуры машины: а — превышения температуры после включения

машины; б — спадание превышения температуры после отключения; в — изменение превышения

температуры при повторно-кратковременном режиме работы

Нагревание и охлаждение машин. Потери, возникающие в машине, нагревают

отдельные ее части и снижают к. п. д. Мощность машины определяется допустимой

температурой нагрева, которая ограничивается в основном тепловым старением

изоляционных материалов. При повышении температуры на 10° С выше установленной

стандартом срок службы изоляции уменьшается примерно вдвое. При включении

холодной машины превышение температуры τ над температурой окружающего воздуха

вначале нарастает быстро (рис. 1,8, а). Затем, по мере нагревания машины, увеличивается

отдача тепла в окружающее пространство, и рост превышения тем-

пературы τ становится менее интенсивным. Возрастание температуры происходит до тех

пор, пока количество тепла, выделяемого в машине и отдаваемого в окружающее

пространство, не становится равным. В этом случае наступает тепловое равновесие, при

котором превышение температуры τ достигает конечного, установившегося значения τ

Если предположить, что все тепло, выделяемое в машине, остается в ней (адиабатический

процесс), то через некоторый интервал времени, численно равный постоянной времени

нагрева Т, превышение температуры т увеличивается до значения τ

. Изменение

температуры происходит по закону, близкому к показательной функции. При нагревании

от холодного состояния (τ

= 0) превышение температуры τ = τ

(1 — е)

-t/T

. В реальных

условиях превышение температуры практически достигает значения, близкого к τ

за

время, соответствующее 3Т (рис. 1.8, а). После отключения от сети машина охлаждается

(рис. 1.8, б). Кривая понижения температуры после отключения машины является

зеркальным отражением кривой нарастания превышения температуры машины после

включения. Если включение и отключение производятся через небольшие одинаковые

промежутки времени, то процессы нарастания и спада температуры нагрева периодически

чередуются (рис. 1.8, е). При сравнении кривых, показанных на рис. 1.8, видно, что при

частом периодическом включении и отключении машины нарастание температуры

происходит по соответствующему участку кривой а, спад — по участку кривой б.

Например, участок кривой нарастания температуры 0—1 совпадает с кривой а, участок

спадания температуры 1—2 совпадает с соответствующим участком кривой б и т. д. При

частом повторном включении через равные промежутки времени установившееся

превышение температуры машины меньше, чем при длительной работе с той же

мощностью.



§ 1.6. РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Классификация режимов. Режим работы электрической машины может быть

длительным, кратковременным и повторно-кратковременным. Машины длительного

режима работы предназначаются для безостановочной эксплуатации в течение

длительного периода времени. Предполагается, что машина работает настолько долго, что

превышение ее температуры достигает установившегося значения. При этом превышение

температуры отдельных ее частей над температурой окружающего воздуха не должно

превосходить значений, допускаемых стандартом.

Машины кратковременного режима предназначаются для работы в течение

непродолжительного времени, за которое температура отдельных частей машин не

должна выходить за пре-

делы, установленные стандартом, после чего они должны отключаться или работать

вхолостую. Рабочий процесс предполагается настолько коротким, что температура

машины не достигает установившегося значения, а нерабочий период — настолько

длительным, что машина полностью остывает. Стандартом установлены кратковременные

режимы с длительностью рабочего периода 15, 30, 60 и 90 мин.

Машины повторно-кратковременного режима предназначаются для работы с частыми

пусками. При этом рабочий цикл, состоящий из времени, в течение которого машина

работает, и паузы, предполагается настолько непродолжительным, что за время работы

машина не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время остановки —

не успевает остыть (рис. 1.8, в).

Повторно-кратковременные режимы работы характеризуются различной

продолжительностью включения. Установленные стандартом длительности рабочего

периода по отношению к полному периоду цикла (так называемые ПВ) составляют 15, 25,

40 и 60%. Полагают, что во время паузы машина находится в покое и что длительность

одного цикла не превышает 10 мин.

Номинальный режим и его параметры. Каждая электрическая машина предназначена

для преобразования заданной мощности и для использования ее в определенных условиях

и конкретном режиме работы.

Температура окружающей среды влияет на нагрев машины и старение изоляции. На

состояние изоляции и незащищенных металлических частей машины оказывают влияние

влажность воздуха и наличие в окружающей среде химически активных реагентов. Режим

работы машины должен соответствовать ее исполнению, иначе машина оказывается мало

надежной и быстро выходит из строя. В зависимости от эксплуатационных условий

создаются машины специального исполнения: химостойкого, влагостойкого, для работы в

тропиках и др.

Параметры режима, определяющие работу машины в условиях, для которых она

изготовлена, называются номинальными. К номинальным величинам относятся

электрическое напряжение машины, ее мощность, ток, скорость вращения, пусковой ток,

коэффициент мощности (cos φ), к. п. д., пусковой и номинальный моменты. Основные

номинальные величины указываются на заводском щитке машины.

Если параметры режима (или хотя бы один из них) отличаются от номинальных, то

эксплуатация машины оказывается технически и экономически нецелесообразной, а в

некоторых случаях и невозможной. Так, уменьшение напряжения на зажимах двигателя

снижает вращающий момент и ускоряет старение изоляции обмоток. Уменьшение

нагрузки на валу асинхронных двигателей приводит к снижению коэффициента мощности

(cos φ) и к. п. д.

Необходимо, чтобы параметры режима, а также температура окружающей среды,

относительная влажность воздуха и высота установки машины над уровнем моря

соответствовали условиям, для которых она выполнена. Основные параметры,

определяющие работу машины, должны соответствовать ГОСТ 183—55 «Электрические

машины. Общие технические требования».

Относительные величины. При расчетах, графических построениях и аналитических

исследованиях удобно пользоваться не физическими величинами, в

ыраженными в

размерных единицах (вольты, амперы, омы и т. д.), а относительными безразмерными

величинами. В этом случае оказывается возможным сравнивать параметры и нагрузки

машин различных мощностей. При этом возможно построение универсальных

характеристик, соответствующих работе машин данного типа различных мощностей.

Относительное значение величины находят как отношение ее значения в размерных

единицах к базисному значению, выраженному в этих же размерных единицах. В качестве

базисной об

ычно выбирают номинальную величину.

Если ток машины в размерных единицах составляет 1а, то в относительных единицах он

равен

Часто относительные единицы выражают в процентах. Для этого их значения в

относительных единицах умножают на 100. Например,



§ 1.7. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ, УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И МНЕМОНИЧЕСКИЕ

ПРАВИЛА

Работа электрической машины неизменно связана с двумя одновременно происходящими

процессами: во-первых, в витках обмотки якоря индуктируется электродвижущая сила (э.

д. с.) и, во-вторых, в результате взаимодействия проходящего по этой обмотке тока и

магнитного потока машины возникает электромагнитная сила. Приступая к изучению

электрических машин, необходимо уметь определять величину и направление векторов

электромагнитных полей, сил и наводимых э. д. с.

Полярность катушки с током. Из электротехники известно, что вокруг проводника с током

образуется магнитное поле. Направление линий индукции магнитного поля определяют

по правилу буравчика: если буравчик (или винт с правой резьбой) ввинчивать в

направлении тока, то направление линий индукции совпадает с направлением вращения

буравчика (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Направление тока и поля проводника

По правилу буравчика определяют полярность поля, создаваемого катушкой, по которой

проходит электрический ток, для этого можно найти направление поля отдельных

проводников. Сторону катушки, из которой выходят линии магнитной индукции, условно

считают северным полюсом, сторону, в которую входят, — южным.

Для определения направления полярности следует мысленно расположить ось буравчика

вдоль оси катушки и вращать буравчик по направлению тока. Поступательное движение

буравчика определяет направление линий магнитной индукции катушки.

Электродвижущая сила. Электродвижущая сила витка, согласно закону электромагнитной

индукции, определяется выражением

где е — электродвижущая сила, в;

Ф — поток, вб;

t — время, сек.

Виток обмотки электрической машины состоит из двух активных сторон 1 и 2,

соединенных лобовыми частями 3 (рис. 1.10). Активные проводники закладываются в

разные пазы и имеют длину, несколько превышающую длину пакета l магнитопровода.

Таким образом, виток охватывает поток, проходящий по пакету стали между пазами, в

которых расположены его активные стороны.