4.3.4. Втрати потужності і коефіцієнт корисної дії машини постійного струму

Робота МПС, як і будь-якої іншої електричної машини супроводжується втратами енергії Р, які умовно поділяють на постійні і змінні. До постійних відносять втрати у магнітній системі машини – втрати в сталі Р_с і механічні втрати Р_мех, до змінних – втрати на нагрівання міді обмоток якоря Р_я, основних Р_зб і додаткових Р_дп полюсів, а також втрати на щітках Р_щ.

.

Втрати в сталі виникають при перемагнічуванні осердя якоря і полюсних наконечників машини. Потужність втрат на перемагнічування сталі машини, або інакше втрати на гістерезис Р_г залежить від частоти перемагнічування f = pn_я/60, чи інакше кажучи частоти обертання якоря. Крім того, при зміні магнітного потоку в листах сталі осердя індукуються вихрові струми, які нагрівають їх. Це так звані втрати на вихрові струми Р_в. Отже, потужність втрат в сталі може бути визначена як сума, зазначених вище складових (Р_с = Р_г + Р_в).

Механічні – це втрати на тертя в підшипниках, щіток об колектор, якоря об повітря і вентиляцію. Потужність цих втрат практично не залежить від навантаження машини і не суттєво залежить від частоти обертання якоря. Враховуючи, відносну малість механічних втрат, а також те, що більшість часу МПС працюють при сталому навантаженні і із сталою швидкістю обертання якоря, їх умовно вважають постійними і у сукупності з Р_с визначають у досліді холостого ходу.

Змінні втрати МПС – втрати на нагрівання обмоток, або інакше втрати у міді Р_м і на щітках Р_щ, залежать від навантаження машини. Потужність втрат у міді може бути розрахована на підставі закону Джоуля-Ленца:

,

де R_дп – опір обмоток додаткових полюсів

Величину Р_щ = U_щ_я визначають за спадом напруги U_щ на щітках машини. Для однієї пари вугільних, графітових та електрографітірованих щіток звичайно приймають U_щ  2В, для металовугільних щіток – U_щ  0,6В.

Як відомо, коефіцієнтом корисної дії  будь якої електричної машини називають відношення корисної потужності на валу машини Р₂ до повної потужності Р₁, яку отримує машина. Отже, рівняння розрахунку ККД МПС має вигляд:

д

Рис. 4.61. Залежність коефіцієнта корисної дії від корисної потужності машини

ля ГПС –

для ДПС –

де U – напруга на затискачах машини;  – струм навантаження машини.

Залежність ККД від корисної потужності (рис. 4.61) є робочою характеристикою машини. При малих навантаженнях ККД генератора, або двигуна постійного струму є малим. Тут корисна потужність на валу машини відносно не велика у порівнянні із втратами на холостому ході (Р_с + Р_мех). Оскільки втрати потужності на холостому ході величина стала, то із збільшенням навантаження ККД машини швидко збільшується. Далі, пропорційно квадрату струму навантаження збільшуються електричні втрати, тому ріст ККД уповільнюється. Максимальне значення  має при Р₂  0,85Р_2н. Сучасні МПС малої і середньої потужностей працюють із ККД 0,7–0,9. У машин великої потужності  може сягати 0,93.

4.3.5. Генератори постійного струму

4.3.5.1. Характеристики генераторів постійного струму.

Для правильного вибору типу генератора і правильної його експлуатації, крім номінальних (паспортних) даних: потужність Р_н, напруга U_н, струм I_н, частота обертання n_н, потрібно знати властивості машини. Властивості ГПС аналізують за допомогою графіків (характеристик), які відображають взаємозв’язок між основними електричними величинами машини (ЕРС, напруга на затискачах U, струм якоря I_я, струм збудження I_зб). Оскільки генератори, як правило, працюють із постійною частотою обертання, то ці характеристики отримують при n = const. При дослідженні характеристик, так же як і у робочому режимі в генераторах (рис. 4.62) контролюють напругу на затискачах машини U, струм навантаження I, і струм в обмотці збудження I_зб.

Основними характеристиками ГПС є:

1. Х

   Рис. 4.62. Електрична схема генератора з незалежним (а), паралельним (б), послідовним (в) та мішаним (г) збудженням

   олостого ходу – це залежність ЕРС машини від струму збудження, при розімкненому зовнішньому колі і сталих обертах вала (E = f(I_зб) при I_я = 0 і n = const).

2. Зовнішня – це залежність напруги на затискачах машини від струму навантаження (звичайно I_я) при незмінному опорі R_рег кола збудження і сталих обертах вала (U = f(I) при R_рег = const і n = const).

3. Регулювальна – це залежність струму збудження від струму навантаження при незмінній напрузі на затискачах машини і сталих обертах вала (I_зб = f(I) при U = const і n = const).

Тут же зазначимо, що, оскільки, у ГПС з послідовним збудженням I_зб = I_я, то ця машина має тільки одну характеристику, а саме зовнішню.

Якісний вигляд характеристики холостого ходу генераторів із незалежним, паралельним і мішаним збудженням показаний на рис. 4.63.

Ф

Рис. 4.63. Характеристика холостого ходу генераторів з незалежним, паралельним і мішаним збудженням

актично ця характеристика являє собою криву намагнічування машини. Оскільки, незалежно від способу збудження машини її полюси мають залишкове намагнічування, то навіть при відсутності струму у обмотці збудження (I_зб = 0 при R_зб  ) машини здатні генерувати невелику (залишкову) електрорушійну силу Е₀. Із збільшенням I_зб, який регулюють реостатом R_рег, ввімкненим у коло обмотки збудження, збільшується магнітний потік індуктора і, отже ЕРС генератора. При зменшенні струму збудження одержують другу криву E = f(I_зб), яка внаслідок явища гістерезису на графіку знаходиться дещо вище попередньої. За практичну характеристику холостого ходу ГПС беруть середню криву (на рис. 4.63 показана пунктиром) між залежностями E від I_зб одержаними при збільшені і зменшені струму збудження машини.

Як видно з рис. 4.63, при малих значеннях I_зб крива E = f(I_зб) має практично лінійний характер. Це тому, що до насичення сталі осердь полюсів їх магнітний потік майже лінійно залежить від струму збудження і, отже, Е є пропорційною I_зб. Магнітне насичення полюсів порушує цю пропорційність, і далі, із збільшенням I_зб, характеристика загинається і йде майже паралельно осі абсцис. Точка k характеристики, що відповідає номінальній напрузі генератора, звичайно знаходиться поблизу або ж на коліні кривої. Якби вона лежала на лінійній ділянці характеристики, то напруга генератора дуже змінювалась би при зміні навантаження машини. При знаходженні точки k вище коліна кривої, суттєво обмежується можливість регулювання напруги генератора.

Рис. 4.64. Зовнішня характеристика генератора з незалежним (а), паралельним (б), послідовним (в) і мішаним (г) збудженням

Зовнішню характеристику ГПС дістають так: спочатку реостатом R_рег і навантаженням R_н встановлюють номінальну напругу U_н і номінальний струм I_н генератора (якоря), а потім, не змінюючи I_зб, зменшують струм навантаження до нуля, вимірюючи при цьому напругу на затискачах генератора. Якісний вигляд зовнішніх характеристик ГПС, залежно від способу збудження машини, показаний на рис. 4.64.

При зменшенні навантаження генератора із незалежним збудженням напруга на затискачах машини збільшується і при I = I_я = 0 досягає максимального значення U₀ = Е (рис. 4.64, а). Таке зумовлено, по-перше, зменшенням реакції якоря і, отже, посиленням результуючого потоку машини, а по-друге, зменшенням спаду напруги в обмотці якоря. Для цієї машини спад напруги U = (U₀  U_н)/U_н при номінальному навантаженні становить 5-10% від U_н. При перевантажені I > I_н генератора із незалежним збудженням напруга на його затискачах зменшується і при I = I_кз, коли U = 0, машина опиняється у режимі короткого замикання. Тут, магнітний потік, хоча і послаблений реакцією якоря, індукує в обмотці якоря порівняно велику ЕРС, тому I_кз має неприпустимо велике значення.

В діапазоні від I = 0 до I = I_н характер зміни напруги на затискачах генератора з паралельним збудженням якісно такий же, як у генератора з незалежним збудженням (рис. 4.64, б). Але тут U = (U₀  U_н)/U_н при номінальному навантажені може досягати (12...20)% від U_н.

При перевантажені шунтового генератора до так званого критичного струму I_кр = (2...2,5)I_н напруга на затискачах машини зменшується. Подальше збільшення навантаження (зменшення опору зовнішнього кола) не супроводжується збільшенням струму. При цьому напруга починає спадати швидше, ніж відбувається зменшення опору навантаження, що призводить до зменшення струму (пунктирна частина кривої на рис. 4.64, б) і, у кінцевому рахунку, коли U = 0, генератор опиняється в режимі короткого замикання. В режими короткого замикання магнітний потік статора індукує в обмотці якоря невелику ЕРС, яка створює струм короткого замикання I_кз. Цей струм значно менший за I_н тому шкоди генератору не спричиняє.

Вигляд зовнішньої характеристики генератора із послідовним збудженням показаний на рис. 4.64, в. Спочатку збільшення струму навантаження викликає пропорційне збільшення напруги на затискачах генератора. При насичені сталі машини напруга перестає збільшуватися із зростанням навантаження. Оскільки реакція якоря і спади напруги в якорі та обмотці збудження дедалі зростають, то напруга на затискачах машини зменшується. Таким чином, напруга серієсного генератора при змінному навантажені є нестійкою, а тому ці машини в режимі генератора практично не використовують.

Зовнішня характеристика (рис. 4.64, г) генератора із мішаним збудженням являє собою поєднання відповідних характеристик шунтового і серієсного генераторів. Її вигляд залежить від співвідношення кількостей витків в шунтовій і серієсній обмотках збудження машини, а також способу вмикання (узгоджено чи зустрічно) цих обмоток між собою. При узгодженому вмиканні обмоток напруга на затискачах генератора залишається практично сталою незалежно від зміни навантаження (крива 1). У випадках коли бажано при значних коливаннях напруги мати майже сталий струм у споживачеві серієсну і шунтову обмотки генератора вмикають зустрічно. При цьому зовнішня характеристика стає стрімкоспадною (крива 2), напруга несталою і генератор на себе великого навантаження не “візьме”.

Рис.4.65. Регулювальна характеристика генераторів з незалежним і паралельним збудженням (а) та із мішаним збудженням (б)

Для отримання регулювальної характеристики ГПС разом із збільшенням струму навантаження збільшують струм в обмотці збудження машини. Роблять це так, щоб збільшення спаду напруги у якорі R_я_я внаслідок збільшення навантаження, компенсувалось збільшенням Е (регулюється струмом збудження) машини, тобто щоб напруга на затискачах генератора залишалась сталою (U = Е  R_я_я = const). Регулювальні характеристики генераторів із незалежним і паралельним збудженням мають однаковий якісний вигляд (рис. 4.65, а). Регулювальна характеристика компаундного генератора наведена на рис. 4.65, б.