|
Страница 4 из 7
4. ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРЬ МЕТОДОМ САМОТОРМОЖЕНИЯ
4.1. Область применения
Методом самоторможения следует определять механические потери и сумму потерь в стали и добавочных потерь холостого хода синхронных машин и машин постоянного тока, преимущественно имеющих значительный момент инерции вращающейся части, а также сумму основных потерь в рабочей цепи и добавочных потерь при нагрузке (потери короткого замыкания) синхронных машин в тех случаях, если другие методы определения этих потерь не могут быть применены.
4.2. 3атормаживающие потери
Потери Р, Вт, затормаживающие машину при свободном выбеге, пропорциональны произведению частоты вращения на отрицательное ускорение самоторможения dn/dt, выраженное в виде производной частоты вращения n, мин-1, по времени t, с:
 , (5)
где С — постоянная самоторможения, Дж, вычисляемая по формуле
 , (6)
I — момент инерции вращающейся части, кг·м2;
nн — номинальное значение частоты вращения, мин-1.
4.3. Определение ускорения самоторможения.
Отрицательное ускорение самоторможения dn/dtможет быть определено или непосредственно — при помощи акселерометрической аппаратуры, или косвенно — одним из следующих способов.
4.3.1. Способ хорды: измеряется промежуток времени t, в течение которого частота вращения затормаживающейся вращающейся части машины изменяется от значения (1+d)nн до значения (1—d)nн (черт. 1).
Черт. 1
Отношение интервала 2dnн к промежутку времени tвесьма близко к значению производной частоты вращения по времени при номинальном значении частоты вращения
 , (7)
где d — относительное отклонение частоты вращения от номинальной.
4.3.2. Способ предельной секущей: определяется зависимость частоты вращения от времени n=f(t) в процессе самоторможения. Если это определение может быть начато от значения частоты вращения (1+d)nн, как в предыдущем случае, и закончено при значении (1-d)nн, то следует постепенно уменьшать значения отклонения d и вычислять отношения 2dnн к соответствующим промежуткам времени t. Экстраполяция зависимости этих отношений от d на нулевое значение последнего будет представлять с достаточной степенью точности угловой коэффициент касательной к зависимости n = f(t) при n = nн, т. е. искомое значение производной dn/dt(черт. 2).
Черт. 2.
Если частота вращения не может быть повышена сверх номинальной, то следует определять отношения интервалов между номинальным значением частоты вращения nн и значениями (1-d)nн при постепенно убывающих значениях d к соответствующим промежуткам времени tи дальше вести определение предельного значения dn/dt как указано выше.
4.3.3. Способ биения частот: требует подсчета трех чисел периодов номинальной частоты между узлами биения этой последней и изменяющейся частоты самотормозящейся машины в трех интервалах: при прохождении через номинальное значение частоты вращения k0, предшествовавшего ему k1 и последующего за ним k2 (черт. 3).
Черт. 3
Искомое значение производной частоты вращения по времени вычисляется по формуле
 , (8)
где fн — номинальное значение частоты, Гц.
Форма огибающей среднего интервала зависит от взаимного расположения векторов напряжений — номинальной частоты fн и частоты f, определяемой самотормозящейся машиной в момент ее прохождения через номинальное значение частоты вращения nн, но не влияет на результат вычисления. В частном случае, при нахождении векторов в этот момент в противофазе имеет место узел биения и число периодов k0 в формуле следует приравнять нулю.
4.4 Состав опытов самоторможения
Если момент инерции вращающейся части машины I известен, то для машины постоянного тока достаточно двух опытов самоторможения — невозбужденной машины и ненагруженной машины, возбужденной до номинального напряжения. Для синхронной машины должен быть добавлен третий опыт самоторможения — замкнутой накоротко машины, возбужденной до номинального значения тока якоря.
Из первого опыта могут быть вычислены механические потери испытуемой машины по формуле
 . (9)
Из второго опыта может быть вычислена сумма механических потерь, потерь в стали и добавочных потерь холостого хода по формуле
 . (10)
Из третьего опыта может быть вычислена сумма механических потерь, основных потерь в цепях рабочих обмоток и добавочных потерь при нагрузке по формуле
 , (11)
где Pмех — механические потери;
Pст — потери в стали и добавочные потери холостого хода;
Pк — основные потери в цепях рабочих обмоток и добавочные потери при нагрузке;
nн — номинальная частота вращения, мин-1;
 ,  ,  — значения производной частоты вращения по времени соответственно в первом, втором и третьем опытах, мин-1 (с-1).
Сумму потерь в стали и добавочных потерь холостого хода следует определять как разность потерь, измеренных во втором и первом опытах. Сумму основных потерь в цепях рабочих обмоток и добавочных потерь при нагрузке следует определять как разность потерь, измеренных в третьем и первом опытах.
Если при проведении третьего опыта ток якоря отличается от номинального не более чем на ±10 %, то сумму основных потерь в цепях рабочих обмоток и добавочных потерь при нагрузке следует пересчитывать пропорционально квадрату тока. Разделение этой суммы на составляющие, если оно требуется, следует проводить вычитанием основных потерь в цепях рабочих обмоток, вычисленных по сопротивлению обмотки якоря при температуре опыта, для чего это сопротивление должно быть измерено непосредственно по окончании опыта; однако пересчет таких составляющих на какие-либо другие значения температуры обмотки не допускается.
Если момент инерции вращающейся части машины неизвестен, или с нею механически соединены вращающиеся части других сопряженных с нею механизмов, например, турбины, момент инерции которых неизвестен, то для исключения содержащей его постоянной самоторможения С следует провести еще один опыт самоторможения машины, нагруженной какой-либо известной нагрузкой Р, например, потерями холостого хода или короткого замыкания присоединенного трансформатора, которые должны быть для этого определены отдельно, или нагрузкой возбудителя на нагрузочное сопротивление.
При торможении потерями холостого хода трансформатора не принимают во внимание сумма потерь в цепях рабочих обмоток и добавочных потерь при нагрузке от тока холостого хода трансформатора
 , (12)
откуда, с учетом (10),
 . (13)
При торможении потерями короткого замыкания трансформатора не принимают во внимание потери в стали и добавочные потери холостого хода, соответствующие напряжению короткого замыкания трансформатора
 , (14)
откуда, с учетом (11),
 . (15)
При торможении нагрузкой возбудителя на нагрузочное сопротивление учитывают только механические потери испытуемой машины
 , (16)
откуда, с учетом (9),
 . (17)
Здесь под Р понимают сумму мощности, отдаваемой возбудителем, и потерь в нем, которые могут быть приняты по его расчетным данным.
Постоянная самоторможения С может быть определена также из опыта вращения испытуемой машины в режиме ненагруженного двигателя, в случае синхронной машины — при коэффициенте мощности, равном единице, при номинальной частоте вращения и номинальном напряжении; в этом случае
 . (18)
Если известен момент инерции вращающейся части I, кг·м2, то для того чтобы получить все потери в киловаттах, постоянную самоторможения следует вычислять по формуле
С = 0,01097I. (19)
4.5. Порядок выполнения опытов самоторможения
4.5.1. Необходимым условием выполнения опытов самоторможения является полная приработка трущихся поверхностей во всех опорах — подшипниках и подпятниках, и установление их температуры, соответствующей нормальной эксплуатации. Поскольку нагрузка на эти опоры, особенно на подпятники, в процессе испытания может значительно отличаться от соответствующей нормальной эксплуатации, температуру опор следует устанавливать регулированием расхода масла или охлаждающей его среды.
4.5.2. Испытуемую машину, если это возможно, следует отсоединить от механически присоединенных к ней механизмов, например водяной турбины в случае гидрогенератора; если же такое отсоединение невозможно по конструктивным причинам, то следует принять все возможные меры к уменьшению механических потерь в таком механизме, например, путем его частичной разборки. В случае гидрогенератора следует удалить воду из камеры рабочего колеса турбины и предотвратить возможность как протекания ее со стороны верхнего бьефа, так и подсасывания вращающимся рабочим колесом турбины со стороны нижнего бьефа. Вращение рабочего колеса в воздухе создает вентиляционные потери, которые могут быть оценены расчетным путем по согласованию между изготовителями генератора и турбины.
4.5.3. Обычно испытуемая машина приводится во вращение в режиме ненагруженного двигателя при питании от отдельного источника с широко регулируемой частотой вращения; но в отдельных случаях испытуемая машина может приводиться во вращение тем приводным двигателем, который соединяется с ней для нормальной эксплуатации, например, когда таким двигателем является турбина ковшевого типа, к которой подача воды на рабочее колесо может быть прекращена практически мгновенно. Во всех случаях возбуждение испытуемой машины должно подаваться от независимого источника с точно и быстро регулируемым напряжением.
4.5.4. Частота вращения испытуемой машины быстро поднимается до предела, настолько превышающего верхний предел (1+d)nн„ по пп. 4.3.1 и 4.3.2, чтобы за время самоторможения до этого предела можно было привести машину в соответствующее состояние, а именно:
- отключить машину от источника питания;
- в случае самоторможения только механическими потерями — погасить поле машины,
- в случае самоторможения суммой механических потерь и потерь короткого замыкания — замкнуть выводы обмотки якоря накоротко и возбудить машину до заданного значения тока короткого замыкания,
- в случае самоторможения потерями в трансформаторе — после гашения поля подключить трансформатор в заранее подготовленном состоянии (холостого хода или короткого замыкания) и возбудить машину до заданного значения напряжения или тока,
- в случае самоторможения суммой механических потерь, потерь в стали и добавочных потерь холостого хода или самоторможения потерями холостого хода трансформатора при подаче питания через этот трансформатор, после отключения от источника питания не требуется никаких операций, если возбуждение испытуемой машины соответствует заданному напряжению холостого хода при вращении с номинальной частотой и коэффициентом мощности cos j= 1.
4.5.5. Отсчеты по всем применяемым в каждом опыте измерительным приборам проводятся в момент прохождения частоты вращения через ее номинальное значение Для повышения точности определения потерь из опытов самоторможения рекомендуется повторять несколько раз опыт каждого вида или проводить опыты при возбужденной машине как при разомкнутой, так и при замкнутой накоротко обмотке якоря при нескольких различных значениях тока возбуждения В обоих случаях следует повторять несколько раз опыт самоторможения механическими потерями.
4.5.6. Относительное отклонение d частоты вращения от ее номинального значения nн для гидрогенераторов принимается равным d = 0,1, а для турбогенераторов может быть ограничено пределом d = 0,05, для машин прочих видов его следует выбирать так, чтобы предварительное повышение частоты вращения перед началом опыта не достигало значения, при котором проводят испытание вращающейся части машины при повышенной частоте вращения.
Наименьшего повышения частоты вращения испытуемой машины требует способ биения частот, при котором практически достаточно только такого, которое необходимо лишь для подготовительных операций.
4.6. Методы измерения
Зависимость частоты вращения nот времени tможет быть получена тремя способами:
- в виде зависимости непосредственно измеряемого отрицательного ускорения самоторможения от времени
 ,
- в виде зависимости частоты вращения от времени
n = f(t),
- в виде зависимости углового пути, пройденного валом машины, от времени
S = f(t).
4.6.1. Первый способ имеет тот недостаток, что зависимости от времени частоты вращения и ускорения самоторможения не являются вполне плавными, и поэтому измеренное значение может иметь случайный характер.
4.6.2. Второй способ не требует применения какой-либо специальной измерительной аппаратуры. Если на валу испытуемой машины имеется возбудитель постоянного тока, то он может быть использован в качестве тахометрического генератора при независимом возбуждении от вполне стабильного источника постоянного тока или без возбуждения. Регистрацию показаний вольтметра, измеряющего его напряжение, пропорциональное частоте вращения, рекомендуется проводить путем фотографирования, помещая в фотографируемое поле помимо вольтметра также механический или электрический секундомер с непрерывным движением указателя. В случае отсутствия возбудителя на валу машины, или если его напряжение пульсирует с частотой вращения, лучшие результаты дает применение машины постоянного тока, соединяемой с валом посредством бесшовной ременной передачи.
4.6.3. Третий способ требует применения хронографа, отсчеты которого производят по сигналам, подаваемым от вала испытуемой машины один раз за каждый оборот или за несколько оборотов N. Если t1, t2 и t3 — последовательно зарегистрированные показания хронографа, то средние значения частоты вращения за промежутки времени между ними будут:
 и  , (20)
а ускорение самоторможения в момент времени t2
 . (21)
Вместо хронографа может быть применен электрический секундомер, указатель которого совершает один оборот за 50 периодов питающего его напряжения; его показания следует фотографировать посредством вспышек импульсной лампы по сигналам, подаваемым от вала испытуемой машины, как и в предыдущем случае. Число отсчетов может быть не более 30—40 за весь опыт.
При применении способа биения частот по п. 4.3.3 производят осциллографическую запись напряжения двух последовательно включенных источников, один из которых имеет номинальное значение частоты, а другой — значение частоты самотормозящейся машины, а амплитуды обоих напряжений предварительно выравнены при номинальном значении частоты.
Если из механических потерь, измеренных методом самоторможения, необходимо выделить потери на трение в опорах (в основном в подпятнике, общем для испытуемой машины и сопряженного с нею механизма), эти потери надлежит определять калориметрическим методом. Если это невозможно, например, вследствие отсутствия проточного охлаждения ванны подпятника, то потери в подпятнике следует определять по эмпирическим формулам и распределять между генератором и турбиной по согласованию между изготовителями генератора и турбины.
Определение отрицательного ускорения самоторможения способом биения частот пригодно главным образом для тихоходных синхронных машин с несложным вентиляционным трактом, например, открытого исполнения. В гидрогенераторах со сложным вентиляционным трактом он может привести к ошибкам, поскольку зависимость частоты вращения от времени при самоторможении для таких машин зачастую имеет недостаточно плавный характер.
|
