Проблемы процессов электромеханического преобразования энергии.

На основе анализа процессов в упрощенной физической модели электромеханическое преобразование (далее ЭМП) может быть сформулировано двумя фундаментальными принципами электромеханического преобразования энергии: Принцип обратимости. ЭМП может реализовать как прямое, так и обратное преобразование энергии, то есть работать как электрическим генератором, так и механическим двигателем (или электромагнитным тормозом). Этот прин­цип обусловлен универсальностью магнитного поля как энергоносителя. Принцип саморегулирования. Электромагнитные и механические процессы в ЭМП так регулируют свое взаимодействие (посредством установления надлежащих параметров этих процессов), чтобы энергоприток, подаваемый в ЭМП на преобразование, соответствовал преобразованному энергооттоку из него. Величину преобразованной энергии в ЭМП всегда определяет механическая мощность. У генератора это подводимая к валу механическая мощность: сколько подвели — столько и преобразовали. У двигателя это механическая мощность, снимаемая с вала и отдаваемая подсоединенному к валу механиз­му: сколько требуется — столько и возьмем от электрического источника пи­тания. Механизм саморегулирования обусловлен физическими свойствами электромагнитной мощности, возникающей в процессе электромеханического преобразования энергии. Действительно, как было показано (1.14), величина этой мощности определяется произведением еао и ia. Если принять, что ток ia в электрической цепи якоря выступает как энергоноситель, тогда ЭДС еао можно представить как регулятор, регулирующий количество энергии и обес­печивающий равенство электромагнитной и механической мощностей посред­ством установления определенных значений Вδ и Q, Способность саморегулирования взаимосвязанных магнитных (Вδ) механиче­ских (Q) и электрических (iа) процессов является внутренним суверенным свой­ством ЭМП и обеспечивается автоматически, без постороннего вмешательства. Понятно, что в реальном ЭМП количество энергии, полученной после преобразования, всегда меньше энергии, подаваемой для преобразования, вследствие не­избежных ее потерь, обусловленных физической сущностью трех взаимодейст­вующих физических процессов и выделением тепла в конструктивных элементах ЭМП, Отметим также, что принцип саморегулирования представляет собой конкретное проявление общего закона сохранения энергии. Потери энергии и КПД ЭМП Преобразование энергии в ЭМП, как уже отмечалось, происходит вследствие взаимодействия трех физических процессов: механического, магнитного и электрического. Для реализации каждого из этих процессов приходится затрачивать энергию, преобразуемую в итоге в тепловую, в виде тепловыделения в реальных элементах и узлах ЭМП. Эти затраты энергии являются необратимыми потеря­ми энергии, или просто потерями. Величину потерь принято характеризовать их мощностью в ваттах. В соответствии с физикой электромеханического преобра­зования энергии различают следующие виды потерь. Механические потери рмх. Эти потери обусловлены силами трения в подшипниках, скользящих электрических контактах и т. п., а также затратами энер­гии на вентиляцию ЭМП. При этом учитываются все затраты энергии, необ­ходимые для функционирования реальных систем вентиляции или охлажде­ния. Механические потери по своей физической природе зависят только от частоты вращения [рмх (n)] и не зависят от величины нагрузки. Выделяются эти потери на всех трущихся и вентилируемых поверхностях ЭМП. Магнитные потери рМГ. Эти потери обусловлены перемагничиванием — циклическим, пульсирующим или вращательным — отдельных элементов магнитопровода и включают в себя потери на гистерезис и на вихревые токи. Магнитные потери распределяются по объему перемагничиваемых участков магнитопровода так же неравномерно, как неравномерно распределение в них изменяющегося магнитного потока. Зоны локальной концентрации этих по­терь определяются резкостью проявления поверхностного эффекта. Удельная объемная плотность магнитных потерь [Вт/м3] зависит от индукции В и частоты перемагничивания f магнитного потока (pмг (Вп; fm), где n≈ 2; m≈ 1, 3). Численное значение этих потерь в значительной степени определяется качеством (маркой) стали магнитопровода, толщиной ее листов и способом ших­товки. Эти потери слабо зависят от нагрузки, так как при нагрузке магнитный поток в ЭМП обычно изменяется незначительно. Электрические потери Рэл. Эти потери — суть джоулевы потери от токов, протекающих в токопроводах (обмотках). Они пропорциональны квадрату тока в обмотках и поэтому существенно зависят от нагрузки, носителем которой является ток в обмотке якоря ЭМП. На них влияет и температура обмотки, поскольку от нее зависит активное сопротивление обмотки. По сечению проводников обмотки эти потери распределяются неравномерно в случае, если ток является переменным и распределяется в проводнике в условиях проявления поверхностного эффекта. Представленные три вида потерь называются основными потерями. Кроме них в теории электрических машин принято выделять еще одну группу потерь, называемых добавочными, pдоб. К ним относят потери, обусловленные добавочными явлениями при нагрузке, такими, например, как искажение картины магнитного поля при нагрузке, пульсации магнитного потока и т. п. Эти потери зависят от нагрузки. Полные, или суммарные, потери p∑ в ЭМП представляют собой сумму потерь основных и добавочных. Величина этих потерь определяет, с одной стороны, тепловое состояние конструктивных элементов, а с другой — коэффициент полезного действия (КПД) ЭМП: где Р1 и Р2 — подведенная и полезная мощности соответственно. Полные потери в ЭМП, исходя из отмеченных особенностей их физической природы, можно, в первом приближении, представить в виде двух составляющих постоянной и переменной. Переменная составляющая потерь обычно определяется как функция коэффициента нагрузки кнг, который представляет собой относительную величину нагрузки машины Рг в долях от номинальной Р2н: В таких условиях р∑ можно представить в виде где р0 — постоянные потери, не зависящие от нагрузки; р1 р2 — потери, завися­щие, соответственно, от первой степени и от квадрата кнг и определенные при поминальной нагрузке. Зависимость η (кнг) представляется гладкой кривой, как показано на рисунке 1. Максимальное значение КПД η max достигается при такой нагрузке, когда переменные потери к2нг р2 зависящие от квадрата кнг, становятся равными постоян­ным потерям р0. Значение кнг, при котором достигается максимальное значение КПД, оказывается равным Значение k нг/η —mах в реальных ЭМП обычно подбирается при их проектировании расчетом соответствующих потерь и обычно находится в диапазоне 0, 5-0, 75.