Баланс мощностей в электрической цепи

Согласно закону Джоуля—Ленца работа, совершаемая постоянным током в сопротивлении,

Если в рассматриваемой ветви вместо резистора включен какой-либо другой преобразователь электромагнитной энергии в механическую или химическую, или другую форму энергии (электрический двигатель, заряжающийся аккумулятор и т.п.), работу, проделанную током за время t, можно подсчитать в том случае, если известно напряжение на преобразователе.

В этом случае формула Джоуля—Ленца приобретает другой вид:

При постоянном токе мощность, поступающая в участок цепи с сопротивлением r, определяется выражением:

где I, U и r сохраняют тот же смысл, что и в формуле Джоуля—Ленца.

Мощность, расходуемая во всей внешней цепи, и мощность, отдаваемая генератором, одна и та же величина. Мощность, развиваемая генератором, всегда больше той, которую генератор отдает во внешнюю цепь, так как часть мощности расходуется на покрытие потерь внутри самого генератора.

Выражение баланса мощностей для одиночного замкнутого контура, содержащего генератор с э.д.с. Е и внутренним сопротивлением ri и резистор с сопротивлением r, можно получить из уравнения Кирхгофа.

Для этого контура

Если обе части этого равенства умножить на ток в цепи, то полученное уравнение и будет представлять собой баланс мощностей в данном контуре

Мощность, развиваемая генератором, равна сумме мощностей теряемой внутри генератора и отдаваемой во внешнюю цепь. Р0 = EI — мощность, развиваемая генератором, Pe = UI=I2r — мощность, отдаваемая генератором во внешнюю цепь, и Pi — I2ri — мощность, теряемая внутри самого генератора.

При выборе одинаковых положительных направлений тока через двухполюсник I и напряжения на двухполюснике U мощность, потребляемая двухполюсником, т. е. Произведение UI, должно быть положительно. Если же при этом окажется, что произведение UI отрицательно, это будет означать, что двухполюсник не потребляет электромагнитную энергию, а наоборот является генератором электромагнитной энергии и отдает эту энергию в электрическую цепь.

Если в электрической цепи ряд двухполюсников отдает электромагнитную энергию в цепь, то остальные эту энергию поглощают. В цепи при постоянном токе не может происходить накопления электромагнитной энергии. Поэтому сумма мощностей, расходуемых в пассивных двухполюсниках и мощностей, теряемых внутри генераторов, должна быть равна алгебраической сумме мощностей, развиваемых всеми генераторами, т. е. сумме произведений ЕкIк всех генераторов, действующих в цепи:

где n — число ветвей в цепи.

Уравнение баланса, полученное для простой цепи, содержащей один генератор, можно переписать, выразив мощность, расходуемую во внешней цепи, через мощность, развиваемую генератором, и мощность, теряемую внутри генератора:

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое баланс мощности двигателя

Энергетический баланс асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель потребляет из сети активную и реактивную мощность. Рассмотрим каждую из них.

Часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки

часть – в виде магнитных потерь в магнитопроводе статора

Оставшаяся часть мощности

представляет собой электромагнитную мощность, передаваемую с помощью магнитного поля из статора в ротор. На схеме замещения (рис. 11.6 в) этой мощности соответствует мощность, пропорциональная активному сопротивлению . Поэтому

Другая часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки ротора

Остальная часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощность ротора

или, с учетом уравнений (11.30) и (11.31)

Полезная механическая мощность на валу двигателя меньше механической мощности на величину механических и добавочных потерь

Из уравнений (11.30)…(11.32) следует, что

Таким образом, активная мощность представляет собой среднюю мощность преобразования в двигателе электрической энергии, потребляемой из сети, в механическую, тепловую и другие виды энергии. Процесс преобразований активной энергии в режиме двигателя изображен на рис. 11.8 а в виде энергетической диаграммы.

Сумма потерь в двигателе

вычитается из потребляемой мощности и определяет полезную мощность на валу

Непременным условием работы асинхронного двигателя является потребление реактивной мощности

Часть этой мощности расходуется на создание магнитных полей рассеяния

расходуется на создание основного магнитного потока, а мощность

расходуется на создание полей рассеяния в роторе.

Диаграмма реактивных мощностей изображена на рис. 11.8 б.

Электромагнитная мощность равна произведению электромагнитного вращающего момента и угловой скорости вращения магнитного потока

Механическая мощность на валу ротора равна произведению момента на угловую скорость вращения ротора

Как следует из рис. 11.8, разность электромагнитной и механической мощностей, затрачиваемая на электрические потери в активном сопротивлении ротора,

Учитывая (11.31), получим

Из векторной диаграммы для ротора (рис. 11.9) получаем

Формула для вращающего момента приобретает вид

где – постоянный коэффициент.

Из (11.42) следует, что вращающий момент пропорционален произведению магнитного потока и активной составляющей тока ротора. Для определения момента через параметры двигателя выразим ток из схемы рис. 11.6 в без учета тока холостого хода

и через параметры ротора

Подставив последнее соотношение в (11.42) с учетом

где – число витков ротора на одну фазу статора (число фаз = 3); р – число пар полюсов; , получаем

Согласно (11.43) электромагнитный момент при любом скольжении пропорционален квадрату напряжения фазы статора и тем меньше, чем больше и индуктивное сопротивление машины .

Графическая зависимость показана на рис. 11.10.

Характерными точками для режима двигателя являются:

режим холостого хода: = 0, = 0;

номинальный режим: =0,02…0,06, ;

режим максимального (критического) момента: , ;

режим пуска: = 1,0, .

Максимум вращающего момента разделяет кривую на устойчивую часть от = 0 до и неустойчивую – от до = 1. Увеличение тормозного момента выше максимального ведет к остановке двигателя.

Читать еще: Асинхронный двигатель принцип работы электротехника

Максимальный момент и критическое скольжение можно выразить через параметры машины, приравняв к нулю первую производную по (11.43)

В этих соотношениях знак плюс относится к двигательному, знак минус – к генераторному режиму работы. Напомним, что формулы получены без учета активного сопротивления обмотки статора.

Путем преобразования уравнения (11.43) с учетом (11.44) и (11.45) получим формулу момента в относительных единицах

11.11. Механическая характеристика

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валу . Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то и механическая характеристика представляется зависимостью . Если учесть взаимосвязь , то механическую характеристику можно получить из (11.43) или (11.46), представив ее графическую зависимость в координатах и (рис. 11.11).

Пример 11.1. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с напряжением = 380 В при = 50 Гц. Параметры двигателя: = 14 кВт, = 960 об/мин, = 0,85, = 0,88, кратность максимального момента = 1,8.

Определить: номинальный ток в фазе обмотки статора, число пар полюсов, номинальное скольжение, номинальный момент на валу, критический момент, критическое скольжение и построить механическую характеристику.

Решение. Номинальная мощность, потребляемая из сети

Номинальный ток, потребляемый из сети

Число пар полюсов

где = 1000 – синхронная частота вращения, ближайшая к номинальной частоте = 960 об/мин.

Номинальный момент на валу двигателя

Критическое скольжение находим по (11.46), подставив , и

Для построения механической характеристики с помощью определим характерные точки: точка холостого хода = 0, = 1000 об/мин, = 0, точка номинального режима = 0,04, = 960 об/мин, = 139,3 Н·м и точка критического режима = 0,132, = 868 об/мин, =250,7 Н·м.

Для точки пускового режима = 1, = 0 из (11.46) находим

По полученным данным строят механическую характеристику. Для более точного построения следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений по (11.46) определить моменты, а по (11.4) – частоту вращения.

Мощностной баланс трактора

Мощность тракторного двигателя расходуется на выполнение полезной работы, преодоление внешних и внутренних сил сопротивления.

Распределение мощности двигателя на преодоление различных видов сопротивлений называется балансом мощности, или рабочим балансом МТА (при равномерном движении), т.е.

Ne = NM + Nf + Nδ + Nα + Ne вом + Nt. (1)

Потери мощности в трансмиссии (кВт) связаны с преодолением сил трения в подшипниках, шестернях, механизмах гусеничной цепи. Их можно определить по формуле

NM = Ne (1 — η мг),(2)

где η мг — КПД трансмиссии (для колесных тракторов — в пределах 0,90—0,92, для гусеничных — 0,86—0,88; на его значения оказывают влияние такие эксплуатационные факторы, как качество смазки, технического обслуживания и регулировки).

Потери мощности на перекатывание трактора связаны с образованием колеи ходовым аппаратом, а также с деформацией шин, преодолением сил трения в подшипниках колес (гусеницах) и др. Эти потери (кВт) зависят от скорости движения агрегата:

Nf = Pf • vp = G• fт• vp(3)

Здесь Pf = G • fr — сопротивление перекатыванию трактора, кН; vp — рабочая скорость агрегата, м/с.

Потери мощности на буксование (кВт) обусловлены недостаточным сцеплением ходового аппарата с почвой. При этом почва сдвигается, что сопровождается буксованием и снижением поступательной скорости движения трактора:

Nδ = Ne • η мг • δ/100.(4)

где δ — буксование, %.

Потери мощности (кВт) на преодоление трактором подъема можно определить, если известны сила сопротивления подъему Р(, и скорость движения агрегата:

Nα = Pf • vp = G • vp • i / 100 (5)

Мощность Ne вом, которая расходуется двигателем на привод механизмов через ВОМ, рассчитывается по формуле:

Ne вом = N вом / η вом (6)

Полезная (тяговая) мощность (кВт), т.е. мощность, которая расходуется на тягу рабочих машин, зависит от условий работы.

Для тяговых и тягово-приводных агрегатов

Nt = RM • vp = vp (ko • b+ GM • i/100) (7)

для транспортных агрегатов

Nt = RM • vp = vp (ko • b+ GM • i/100) (8)

Затраты мощности зависят от скорости движения агрегата, поэтому баланс мощности можно изобразить с помощью графика (рис. 1). Если нанести на графике кривую удельного тягового расхода топлива, то увидим, что минимальный удельный расход

соответствует максимальному значению тяговой мощности Nt max . Это очень важно для правильного комплектования машинно-тракторных агрегатов и выбора загрузочных и скоростных режимов их работы.

Рис. 1. График зависимости затрат мощности от скорости движения трактора

Производительность агрегата пропорциональна тяговой мощности Nt, а расход топлива на единицу выполненной работы пропорционален удельному расходу. Значит, наибольшей производительности и экономичности (по расходу топлива) можно достичь, когда трактор работает в режиме максимальной тяговой мощности Nt max (или близкой к ней) при минимальном удельном расходе топлива gT min , т.е. при оптимальных рабочих скоростях.

Для современных гусеничных тракторов эти скорости примерно равны 2,0—2,5 м/с, а для колесных — 3—4 м/с. Однако при комплектовании агрегатов не всегда удается этого добиться, так как могут быть ограничения рабочей скорости по агротехническим требованиям (качество работы), а также из-за превышения допустимого буксования и др.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Что такое баланс мощности двигателя

Тест «Баланс мощности по цилиндрам»

Тест «Баланс мощности по цилиндрам» (power balance) — специальный режим моторной диагностики, который служит для оценки вклада каждого цилиндра в работу двигателя и выявления неработающего цилиндра или цилиндра, работающего существенно хуже остальных.

Примечание. Зачастую данный тест сокращенно называют «Баланс мощности» — такое наименование использовать не рекомендуется, так как может возникнуть путаница с совершенно другим тестом — «Баланс индикаторной мощности». Тем не менее, «Баланс мощности по цилиндрам», «Баланс мощности» и «Баланс цилиндров» можно считать синонимами.

Читать еще: Двигатель qg15de не набирает обороты

Общий принцип. При установившейся работе двигателя (как правило, примерно на 1000-2500 об/мин) последовательно отключаются цилиндры. После каждого отключения ждут стабилизации оборотов и фиксируют установившиеся обороты, а также, при наличии газоанализатора, показания CO и HC (стабилизации их показаний надо ждать несколько дольше — около 10-15 секунд, в зависимости от газоанализатора). Чем больше снижение оборотов — тем больше вклад соответствующего цилиндра в работу двигателя.

Отключение цилиндров может осуществляться:

— через отключение зажигания (искры);

— через отключение форсунок впрыска.

Рекомендации к применению. Данный метод рекомендуется применять при явно нестабильной работе двигателя, когда необходимо установить проблемный цилиндр или цилиндры.

Ограничения метода. Во-первых, не каждый способ отключения применим на любой системе зажигания или впрыска:

— на некоторых двигателях может быть существенно затруднен доступ к элементам системы зажигания или впрыска;

— отключение зажигания без отключения впрыска категорически запрещено на автомобилях с нейтрализатором отработавших газов, так как несгоревшее в отключенном цилиндре топливо очень быстро выведет его из строя;

— отключение зажигания без отключения впрыска не рекомендуется на автомобилях с датчиками кислорода по той же причине;

— ручное отключение элементов вторичной системы зажигания может привести и к поражению диагноста электрическим током (при несоблюдении правил техники безопасности) и к выходу из строя элементов системы зажигания (катушки, распределителя и др.) и пр.;

— отключение форсунок впрыска требует подключения мотор-тестера в разрыв штатного жгута форсунок. Так как конфигурация жгутов на всех автомобилях различна — такой способ отключения цилиндров применим только на автомобилях, подключение к жгуту форсунок которых возможно с помощью переходника, поставляемого к мотор-тестеру;

— отключение элементов систем зажигания или впрыска может приводить к сохранению кодов неисправностей в блоке управления двигателем — помните, что многие современные системы управления не позволяют стирать коды неисправностей без сканера.

Во-вторых, метод анализа падения оборотов применим только на четырех, максимум шести цилиндровых двигателях — это связано с тем, что:

— в автомобилях с большим количеством цилиндров вклад каждого цилиндра в работу двигателя относительно невелик (то есть отключение одного цилиндра менее заметно и практически не сказывается на работе двигателя вцелом). Хотя иногда проводят тест на таких двигателях с отключением цилиндров группами. Это ограничение в меньшей степени относится к анализу изменения состава выхлопа при отключении цилиндров.;

— чем больше количество цилиндров, тем более трудоемкой становиться процедура диагностики.

В-третьих, современные системы управления очень быстро адаптируются к искусственно возникшей неисправности цилиндра — и компенсируют отсутствие его вклада в работу двигателя повышением топливоподачи в другие цилиндры (правда, на отдельных типах двигателей эту адаптацию можно временно отключить). Если адаптация системы управления сводит на нет возможность провести тест на конкретном двигателе — можно в качестве параметра, отражающего вклад цилиндра в работу двигателя, использовать увеличение времени впрыска после отключения цилиндра. Для определения длительности впрыска необходим либо сканер, либо осциллограф, либо специальный прибор-измеритель. Правда и этот метод применим не всегда. Кроме того, помимо системы адаптации, на современных автомобилях коррективы могут вводить системы подачи вторичного воздуха (Secondary Air Injection), системы рециркуляции выхлопных газов (EGR — Exhaust Gas Recirculation), системы вытяжки картерных газов (PCV — Positive Crankcase Ventilation) и пр.

В-четвертых, в данном описании идет речь о применении метода только на бензиновых (как карбюраторных, так и инжекторных) двигателях. Однако, с определенными оговорками метод применим и на дизелях.

Режим выполнения — рассматриваемый тест может выполняться:

— в ручном режиме — через отключение разъемов форсунок или элементов вторичной цепи зажигания. Также цилиндры можно отключать сканером — через отключение зажигания или форсунок в режиме управления исполнительными устройствами (к сожалению, эта функция поддерживается далеко не всеми сканерами и всеми блоками управления);

— в автоматическом (automated balance) или полуавтоматическом режиме с помощью мотор-тестера или сканера. Естественно, приборы должны специально поддерживать выполнение этого теста. Большинство мотор-тестеров это поддерживают, а вот для сканера эта функция скорее экзотическая — это связано с тем, что кроме поддержки самим сканером, должна быть и поддержка со стороны блока управления диагностируемого автомобиля (либо полная поддержка проведения теста «Баланс мощности по цилиндрам», либо хотя бы поддержка функций отключения форсунок или зажигания отдельных цилиндров в режиме управления исполнительными устройствами) — такая поддержка есть, например, у некоторых отечественных приборов при диагностике отдельных блоков управления ВАЗ и ГАЗ, на некоторых автомобилях Ford и др.

В автоматическом режиме прибор сам отключает цилиндры в заданном порядке, и сам регистрирует результаты, участия диагноста не требуется. В полуавтоматическом режиме диагност может с помощью прибора отключать произвольно выбранный цилиндр. Желательно, чтобы прибор поддерживал оба способа блокировки работы цилиндра (и через отключение зажигания и через отключение впрыска), а также связь с газоанализатором и вывод его данных в итоговый отчет.

В любом случае при использовании «нормального» диагностического прибора с диагноста полностью снимается необходимость регистрации результатов и их удобоваримого представления в графическом виде.

Типичная процедура выполнения теста при помощи мотор-тестера:

1. Заглушите двигатель.

2. Подключите жгуты мотор-тестера к двигателю в соответствии с руководством по эксплуатации прибора.

При блокировании впрыска (форсунок) достаточно подключить только кабель синхронизации и специальный жгут, подключающий мотор-тестер в разрыв штатного жгута форсунок автомобиля.

Читать еще: Что такое резонанс асинхронного двигателя

При блокировании зажигания (искры) обычно подключаются:

— кабель синхронизации. Как правило, возможна синхронизация по высоковольтному сигналу первого цилиндра или по сигналу датчика положения коленчатого вала. При первом способе синхронизации возникает проблема, связанная с тем, что на время отключения первого цилиндра теряется и синхронизирующий сигнал — как правило, в современных мотор-тестерах эта проблема решается дополнительным использованием синхронизации по сигналам первичной цепи зажигания.

— кабель первичной цепи зажигания — через него в нужный момент осуществляется блокировка первичной цепи через шунтирование на массу. Подключение не вызывает проблем на любой системе зажигания с доступной первичной цепью. При работе с системой DIS с несколькими двухвыводными катушками требуется специальный кабель с диодной развязкой для одновременного подключения к нескольким катушкам зажигания (предлагается к мотор-тестерам как опция).

3. Выберете тип диагностируемого двигателя — необходимо чтобы были известны количество и порядок работы цилиндров — информация берется либо из эталонов, либо вводиться вручную. Если этой информации у Вас нет — ее можно найти в информационных базах данных. Иногда приборы позволяют изменить тонкие настройки теста — например, время на которое отключаются цилиндры.

4. Запустите двигатель и установите требуемые обороты (рекомендуется 2000-2500 об/мин) — можно установить разными способами (механическим воздействием на дроссельную заслонку, «подсосом», сканером в режиме управления исполнительными механизмами и пр.). Не рекомендуется держать педаль акселератора ногой — так как в этом случае невозможно обеспечить необходимую стабильность оборотов. Кроме этого, надо проконтролировать, чтобы во время проведения теста сохранялся режим постоянной нагрузки на двигатель — то есть потребители энергии (в том числе вентилятор системы охлаждения) должны быть либо выключены, либо включены на все время теста. Для повышения достоверности результатов рекомендуется увеличить нагрузку на двигатель — включить потребителей, но только те, потребление которых относительно постоянно — например, фары и вентилятор системы охлаждения.

5. Выберете режим проведения теста — автоматический или полуавтоматический.

6. Запустите в программном обеспечении соответствующий тест.

(последовательность пунктов 4-6 может отличаться для разных моделей мотор-тестеров)

7. При автоматическом режиме проведения теста дождитесь окончания процедуры. При полуавтоматическом — выберете требуемые цилиндры для отключения. Как правило, полуавтоматический тест заканчивается либо по команде диагноста, либо когда последовательно будет произведено отключение всех цилиндров.

8. Запомните полученные результаты.

9. Рекомендуется провести тест еще два раза для увеличения точности и оценки устойчивости результатов. Из результатов рекомендуется выкинуть грубые промахи, а оставшиеся результаты усреднить. Если разброс результатов по тестам слишком большой — значит либо были нарушены условия проведения теста, либо в данном случае тест неприменим (причин может быть несколько — об одной из них уже говорилось — действие штатной системы адаптации автомобиля).

10. Проанализируйте полученные данные. Данные могут быть представлены примерно в таком виде:

Тест «Баланс мощности по цилиндрам»

Установленная частота вращения коленчатого вала — … об/мин.

Данные газоанализа (без отключения цилиндров, при установленных оборотах): CO: . HC: . CO2: . O2: .

Длительность впрыска — … мс

В процессе теста блокировалось — [зажигание / впрыск ]

Были включены дополнительные потребители — …

Тест был повторен — … раз(а).

и/или в графическом виде (как правило, в виде бар-графов). Пример вывода результата теста «Баланс мощности по цилиндрам» на мотор-тестере Vetronix MTS 5100 (взято с сайта chipmaster.ru). В данном примере показания указывают на неисправность в цилиндре номер 1:

Анализ результатов теста:

1. Неисправным является цилиндр, при отключении которого было получено наименьшее снижение оборотов.

2. В общем случае — при блокировании зажигания (искры) и отсутствии газоанализатора тест достаточно надежно указывает на проблемный цилиндр, однако конкретизировать неисправность с помощью него нельзя (неисправность может быть в системе зажигания и/или системе топливоподачи и/или механической части).

3. При наличии газоанализатора возможности анализа существенно расширяются. Первые выводы можно сделать по показаниям газоанализатора еще до начала теста (теме газоанализа будет посвящен отдельный материал).

4. Газоанализ по результатам проведения теста даст еще более полезную информацию — так как выводы можно будет делать уже в привязке к отдельным цилиндрам. При отключении топливоподачи нормально работающего цилиндра показания HC существенно не изменяться — ведь цилиндр до отключения «выдавал на выхлоп» небольшое количество несгоревших углеводородов — не более 20-40 ppm.

Можно предположить, что показания НС также не изменяться, если форсунка в соответствующем цилиндре вообще не работает (клапан постоянно закрыт) — все верно, но это будет сразу видно по завышенному кислороду (О2) перед проведением теста.

Если после отключения цилиндра показания ppm существенно уменьшились — значит при отключении цилиндра мы «заткнули» источник попадания несгоревшего топлива в выхлоп — и именно в этом цилиндре надо искать проблему.

В случае, когда система зажигания на автомобиле типа DIS (без распределителя; с несколькими катушками, обслуживающими по два цилиндра) и большое уменьшение HC зафиксировано при отключении пары цилиндров, свечи которых «висят» на одной катушке — одной из вероятных причин неисправности является неисправность цепи зажигания этих цилиндров (свечи, высоковольтные провода, катушка, канал управления).

5. Как уже говорилось, анализ изменения длительности впрыска можно проводить на автомобилях с системой управления, активно реагирующей на отключение цилиндров увеличением количества впрыскиваемого топлива (через увеличение времени впрыска).

6. Естественно, по результатам теста может оказаться, что имеются существенные проблемы и более, чем с одним цилиндром.