Чем измерить кпд двигателя

Перечислите и охарактеризуйте потери мощности в машине постоянного тока. Укажите, как определяется КПД машины?

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

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 F= pn/60, 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 обусловлены нагревом обмоток и щеточного контакта. Потери цепи возбуждения определяются потерями в обмотке возбуждения и в реостате, включенном в цепь возбуждения. Электрические потери также имеют место и в контакте щеток:

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.

Механические и магнитные потери при стабильной частоте вращения считать постоянными.

Добавочные потери. Это потери, которые трудно рассчитать. Они складываются из потерь в уравнительных соединениях, потерь в стали из-за неравномерной магнитной индукции под полюсом, потерь от пульсации магнитного потока в полюсных наконечниках и т.д. В расчетах значение добавочных потерь принимают равным 1% от полезной мощности для генераторов или подводимой мощности для двигателей в машинах без компенсационной обмотки и 0,5% в машинах с компенсационной обмоткой.

Коэффициент полезного действия (КПД). КПД электрической машины представляет собой отношение мощностей отдаваемой (полезной) Р₂ к подводимой (потребляемой) Р₁: η = Р₂ /Р₁

КПД можно определять:

а) методом непосредственной нагрузки по результатам измерений подведенной Р₁ и отдаваемой Р₂ 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 8О % измерять КПД методом непосредственной нагрузки нецелесообразно, так как он дает большую ошибку, чем косвенный метод.

6. Что такое универсальный коллекторный двигатель (УКД)? Каковы его конструктивные особенности? Укажите достоинства и недостатки УКД.Универсальными называют коллекторные двигатели, которые могут работать как от сети постоянного, так и от сети однофазного переменного тока.

Однофазные коллекторные двигатели имеют преимуществен­но последовательное возбуждение. По своей конструкции универсальные коллекторные двигате­ли отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из листовой электро­технической стали. Это дает возможность сократить магнитные потери, которые при работе двигателя от сети переменного тока повышаются, так как переменный ток в обмотке возбуждения вы­зывает перемагничивание всей магнитной цепи, включая станину и сердечники полюсов.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые частоты вращения при номинальной на­грузке как на постоянном, так и на переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения двигателя выполняют с ответв­лениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети пере­менного тока — частично

Основной недостаток однофазных коллекторных двигате­лей — тяжелые условия коммутации.

Универсальный коллекторный двигатель дороже двига­теля постоянного тока и имеет худшие рабочие характеристики.

Если сравнить его с асинхронным двигателем, он также выше его по стоимости и менее надежен. Но универсальный кол­лекторный двигатель имеет ряд преимуществ:

1) как и асинхронный, может работать в сети переменного тока. Это важно, потому что все коммунально-бытовые потреби­тели имеют только переменное напряжение;

2) частота вращения у асинхронного двигателя ограничена сверху — 3000 мин -1 , при частоте 50 Гц. Универсальный коллек­торный двигатель теоретически может развивать любую частоту вращения;

3) механическая характеристика у него значительно лучше (жестче), чем у асинхронного двигателя;

4) возможности регулирования частоты вращения лучше, чем у асинхронного.

Таким образом, универсальный коллекторный двигатель имеет все преимущества двигателя постоянного тока, но может работать на переменном. Этим и обусловлена область применения универсальных коллекторных двигателей: их применяют для привода бытовых электроприборов, различного электроинстру­мента и т.д.

7. Опишите принцип работы трансформатора. Объясните, почему трансформаторы не работают от сети постоянного тока.Трансформатором называют статическое элек­тромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электро­магнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуцирует в них ЭДС:

в первичной обмотке ЭДС самоиндукции:

во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции:

где w₁ и w₂—число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС взаимоиндукции в цепи этой обмотки создается ток, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение. В повышающих трансформаторах U₂ >U₁ а в понижающих U₁ >U₂ .

ЭДС е₂ и е₁, наводимые в обмотках трансформатора отличаются друг от друга лишь за счет разного числа витков w₁ и w₂в обмотках, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НН).

Трансформаторы обладают свойством обратимости, один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо — понижающий.

Трансформатор это аппарат переменного тока. Если же его :первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению, поэтому в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.

8. Опишите и объясните назначение и устройство трансформатора. Укажите классификацию трансформаторов.Трансформатором называют статическое элек­тромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электро­магнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

В зависимости от назначения трансформаторы разделяют на силовые трансформаторы общего на­значения и трансформаторы специального назначе­ния. Силовые трансформаторы общего назначения применяются в линиях передачи и распределения электроэнергии, а также в различных электроуст­ройствах для получения требуемого напряжения. Трансформаторы специального назначения характе­ризуются разнообразием рабочих свойств и конст­руктивного исполнения.

Трансформатор состоит из различных конструк­тивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками состав­ляет активную часть трансформатора. Остальные элементы трансформатора называют неактивными час­тями

Магнитопровод в трансформаторе выполня­ет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по ко­торой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т.е. он состоит из тонких стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой. Такая конструкция магнитопровода обуслов­лена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем пе­ременным магнитным потоком, а следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе. Силовые трансформаторы выполняются с магнитопроводами трех типов: стержневого, броневого и бронестержневого.

Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняют из обмоточных проводов круглого или пря­моугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой обмотки в большинстве случаев является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся элементы (рейки, угловые шайбы и т. п.), обеспечивающие обмот­ке механическую и электрическую прочность. По взаимному расположению на стержне обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся.

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом. Трансформаторное масло, омывая обмотки и магнитопровод, отбирает от них теплоту и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака и трубы радиатора отдает ее в окружающую среду.

Обмотки трансформатора с внешней це­пью соединяют вводами. В масляных трансформаторах для вводов обычно используют проходные фарфоровые изоляторы. Такой ввод снабжен металлическим фланцем, посредством кото­рого он крепится к крышке или стенке бака. К дну бака прикреп­лена тележка, позволяющая перемещать трансформатор в преде­лах подстанции. На крышке бака расположена рукоятка переключателя напряжений.

Определение мощности и топливной экономичности двигателя

Мощность и топливная экономичность являются основными показателями, характеризующими эксплуатационные качества двигателя. Поэтому необходим периодический контроль топливной экономичности дизеля в условиях его использования. Целесообразно при ТО-2 (через каждые 480-500 моточасов) оценить экспресс-методом топливную экономичность дизеля, измеряя расход топлива на холостом ходу. При ТО-3 (через 960-1000 моточасов) топливную экономичность измеряют более точно, одновременно измеряя расход топлива и мощность дизеля, что позволит установить удельный расход топлива.

Работоспособный двигатель на холостом ходу расходует топливо на преодоление внутренних механических сопротивлений. По расходу топлива на холостом ходу представляется возможным оценить топливную экономичность дизеля экспресс-методом с помощью топливомера КИ-8940. Для этого топливомер подключают к фильтру грубой очистки топлива. У тракторов К-701, К- 700 и Т-150К перекрывают перепускной топливопровод. Прогревают дизель до температуры охлаждающей жидкости 70-90°С, устанавливают максимальную частоту вращения коленчатого вала и измеряют мгновенный расход топлива. Сравнивают полученное значение с номинальным и допустимым значением расхода топлива на холостом ходу. Если фактический расход больше допустимого, то проверяют систему топливоподачи и устраняют неисправности.

Для контроля мощности и экономичности двигателя при ТО-3 могут применяться бестормозные, тормозные и порциальные способы. Тормозные способы испытания двигателей являются наиболее точными, менее трудоемкими, но для проведения испытаний требуются сложные нагрузочные устройства — тормозные установки, с помощью которых коленчатый вал нагружают необходимым моментом сопротивления.

Бестормозные способы основаны на использовании механических потерь в отключенных цилиндрах двигателя в качестве нагрузки работающих цилиндров, мощность которых определяют на режиме перегрузки по частоте вращения коленчатого вала.

Порциальный способ сочетает в себе бестормозной и тормозной способы испытания, что достигается выключением части цилиндров и догрузкой работающих цилиндров до режима, соответствующего максимальному расходу топлива. При этом способе можно использовать тормозные установки малой мощности для испытания двигателей.

Стационарный пост диагностирования колесных тракторов оборудуют специальным тормозным стендом КИ-8948.

В хозяйствах мощность дизеля целесообразно определять по ускорению коленчатого вала. Этот бестормозной способ основан на измерении углового ускорения коленчатого вала в режиме свободного разгона при резком повышении частоты вращения на холостом ходу с минимально устойчивой до максимальной. Чем больше мощность дизеля, тем больше ускорение коленчатого вала.

Ускорение измеряют электронным прибором ИМД-Ц (ИМД-ЦМ), индукционный датчик которого фиксирует прохождение зубьев венца маховика. Для установки датчика в картере маховика против зубчатого венца сверлят отверстие и нарезают резьбу М16х1,5. У дизелей СМД-60, СМД-62 и А-01М датчик закрепляют на технологической крышке, устанавливаемой вместо крышки люка картера маховика.

Проектирование и расчет автомобиля

Индикаторный КПД

Что такое индикаторный КПД?

Индикаторный КПД — это соотношение теплоты, которая была преобразована в механическую работу рабочего цикла, ко всей теплоте, которая была занесена с помощью топлива в двигатель.

Зависимость индикаторного КПД

Зависит показатель индикаторного КПД от параметра степени сжатия и коэффициента избытка воздуха, а также от оборотов коленчатого вала.

Индикаторный КПД формула:

Ni=(0,05+0,2a) (0,6+0,08ξ) (0,93+0,0007nдв)

При стабильной и постоянной степени сжатия, в пределах 6,5 и оборотах коленчатого вала 2000 мин -1 при обеднении смеси – индикаторный кпд повышается от 0,6 до 1,15 — N меняется от 0,20 до 0,34. При а=1,15, с повышением оборотов коленчатого вала от 1000 до 3000 КПД возрастает от 0,32 до 0,39.

Практически на всех легковых автомобилях рабочие режимы с высокой степенью сжатия индикаторный КПД варьируется в пределах 0,34 — 0,37. Чем выше индикаторный КПД, тем ниже расход топлива. Если рассматривать карбюраторные двигатели, то индикаторный КПД повышается при увеличении массы груза автомобиля, увеличении скорости движения автомобиля и суммарного сопротивления дороги колесам. В дизельных двигателях все да наоборот.

Расчеты показывают, что для уменьшения расхода топлива автомобиля необходимо поднять его грузоподъемность и увеличить скорость движения.

Конструктивные особенности введу разных обстоятельств мы изменить не в состоянии, но многие факторы водитель может изменить посредством правильного выбора скорости автомобиля и переключения передачи в зависимости от выбранного режима движения. Например, для автомобиля ЗИЛ-130 индикаторный КПД составил 0,33.

Q == 2,49 • i_k+0,096 • i_k2 • V_k + 0,0105 • Ga • Ψ+0,0026 • V_k2.

При оборотах коленчатого вала двигателя 1000 об., во время включения прямой передачи и скорости движения автомобиля 50 км/час расход топлива автомобиля ЗИЛ 130 составил 26,6 литров на 100 км, а для сравнения на 3 передаче расход топлива увеличился до 43 литров на 100 км, практически 60 процентов перерасхода. Это говорит о том, что необходимо во время переключать передачи.

Передаточное число коробки передач — внушаемый фактор, который влияет на износ и работоспособность двигателя и в своем роде на расход топлива. Это объясняется тем, что моторесурс двигателя определяется не пробегом автомобиля, а рассчитывается суммарное количество оборотов коленчатого вала, после чего делаем выводы о износе двигателя. Следовательно, движение на пониженных передачах увеличивает как расход топлива, так и износ двигателя.

Движение автомобиля с постоянной скоростью более выгодно, экономично и целесообразно – это было известно еще давно. У каждого автомобиля карбюраторного или дизельного, есть свой оптимальным режим работы двигателя. Также можно выбрать оптимальную скорость, при которой износ двигателя и расход топлива будет минимален. Оптимальная скорость для грузовых автомобилей составляет 40. 60 км/ч. Для легковых 60-80 км/час.

При эксплуатации автомобиля необходимо обращать внимание на расход топлива и на денежные затраты. Уменьшение расхода топлива положительно сказывается на вашем кошельке, и природа загрязняется меньше. Ведь чем меньше топлива сгорает, тем меньше выделяются вредные вещества.

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:

(1)

или в процентах

(2)

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 I_а 2 r_а 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 p_Σ.

(3)

Применив здесь подстановку P₁ = P₂ + p_Σ, 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 p_Σ описываются в стандартах на электрические машины и в руководствах по испытанию и исследованию электрических машин. Если даже p_Σ 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 I_а², а в щеточных контактах – пропорционально I_а. Напряжение генератора при этом также приблизительно постоянно, и поэтому с определенной степенью точности P₂ ∼ I_а.

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

где коэффициент нагрузки

Определяет относительную величину нагрузки машины.

Суммарные потери также можно выразить через k_нг:

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

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

(8)

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

Это уравнение удовлетворяется, когда его знаменатель равен бесконечности, т. е. при k_нг = ∞. 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 k_нг² × 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 η_макс, то, поскольку потери k_нг × 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 k_нг [смотрите формулу (10)] было близко к единице. Если машина работает в основном при малых нагрузках, то выгодно, чтобы значение k_нг [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.