0018940_41F33_goldberg_o_d_i_dr_proektirovanie_elektricheskih_mashin / Глава 04 - ПОТЕРИ И КПД

Глава 4

ПОТЕРИ И КПД

§ 4-1. Подразделение потерь

Преобразование электрической энергии в механическую в электродвигателях и механической в электрическую в генераторах сопровождается рассеянием части подведенной энергии, т. е. потерями.

В электрических машинах различают основные и добавочные потери. Основные потери возникают в результате электромагнитных и механических процессов, которые определяют работу машины. К основным потерям относятся электрические потери в обмотках, электрические потери в переходных контактах щеток на коллекторе и кольцах, магнитные потери от основного потока в стальных сердечниках, механические потери. Добавочные потери возникают в результате вторичных процессов электромагнитного характера, например вследствие пульсации магнитного потока в воздушном зазоре, из-за наличия высших гармонических в кривых МДС статора и ротора, из-за потоков рассеяния обмоток и т. п.

Потери в обмотках. Электрические потери в обмотках (кроме параллельной обмотки возбуждения машин постоянного тока) вычисляют по току и сопротивлению обмотки постоянному току. Учитывая, что температура обмоток отдельных (даже однотипных) электрических машин при их работе в номинальном режиме не совпадает между собой (их температура, как правило, ниже допустимых предельных значений для примененного класса изоляции), при определении потерь, а также при уточнении магнитного потока и при расчете рабочих характеристик сопротивление обмоток приводят к стандартной рабочей температуре, установленной ГОСТ 183: 75°С — для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости В и 115°С — классов F и Н. Соответственно сопротивление обмоток, рассчитанное для температуры 20°С, умножают на коэффициент m_Т:

Класс нагревостойкости изоляции	В	F, H
3начение коэффициента mТ	1+ О,004(75—20) = 1.22	1+0,0О4(115—2О) = 1,38

Потери в параллельной обмотке возбуждения определяют по току и напряжению возбуждения.

Потери в переходных контактах щеток. Эти потери вычисляют и току и переходному падению напряжения в щетках обеих полярностей; оно находится в зависимости от марки щеток:: у графитовых и электрографитированных — в пределах 1,4—2,4 В, а у металлографитных — 0,2—1,1 В. При расчете потерь падение напряжения условно принимают не зависящим от тока и равным 2 В для графитных и электрографитированных щеток и 0,6 В — для металлографитных щеток.

Потери в стальных сердечниках. Основные магнитные потери в стальных сердечниках электрических машин, вызываемые основным магнитным потоком машины, возникают в частях сердечников, подверженных перемагничиванию — в статоре (в зубцах и спинке) машин переменного тока и в якоре (в зубцах и спинке) машин постоянного тока. Потерями в стали сердечников ротора асинхронного двигателя пренебрегают вследствие малой частоты перемагничивания при номинальном режиме работы и соответственно незначительных потерь.

Потери в стали состоят из потерь от гистерезиса, пропорциональных частоте перемагничивания в первой степени, и потерь от вихревых токов, пропорциональных частоте перемагничивания во второй степени. Зависимость суммарных потерь от частоты перемагничивания выражается степенной функцией, показатель которой зависит от свойств стали (ее марки). Потери в стали, кроме того, пропорциональны удельным магнитным потерям p_1,0/50, установленным ГОСТ 21427.2, массе рассматриваемой части магнитопровода m и квадрату магнитной индукции В². Таким образом, потери в рассматриваемой части стальных сердечников

(4-1)

Здесь К — поправочный коэффициент, учитывающий увеличение потерь в зубцах и в спинке сердечника из-за резки, штамповки и сборки листов, опрессовки, опиловки и обточки сердечников, а также из-за неравномерного распределения магнитной индукции. Значение коэффициента К зависит от качества штампов и совершенства технологического процесса изготовления сердечников (среднее значение К, установленное опытным путем, составляет 1,7 для машин переменного тока и 2,3 для машин постоянного тока).

Значения удельных магнитных потерь p_1,0/50, регламентированных ГОСТом, в состоянии поставки и показателя степени для разных марок холоднокатаной электротехнической стали при толщине листов 0,5 мм приведены ниже:

Марка стали	2013	2312	2411
p1,0/50, Вт/кг	2,5	1,75	1,6
	1,5	1,4	1,3

Механические потери. Эти потери состоят из потерь на трение в подшипниках, трения щеток на коллекторе или контактных кольцах, трения ротора или якоря о воздух и потерь на вентиляцию машины.

Потери на трение щеток зависят от коэффициента трения щеток о коллектор или контактные кольца k_ТР, удельного давления пружины на щетку p_щ, площади поверхности щеток в контакте и окружной линейной скорости коллектора или контактных колец .

Потери на трение в подшипниках, трение ротора или якоря о воздух и потери на вентиляцию машины точно рассчитать затруднительно; для их приближенного определения обычно пользуются эмпирическими зависимостями, составленными на основе многочисленных испытаний изготовленных машин. Такие зависимости приведены для машин переменного тока в § 9-9, 11-11 и для машин постоянного тока — в § 10-13.

Добавочные потери. Классификация видов добавочных потерь велика. Более значительными из этих потерь являются: — у асинхронных двигателей — потери на поверхности ротора от зубцовых гармонических МДС статора и при х. х., вызванные зубчатым строением статора; потери в обмотке статора от вихревых токов, наводимых собственным потоком рассеяния; у машин постоянного тока — потери на поверхности полюсов от пульсации потока в зазоре, вызванной зубчатым строением якоря; потери в обмотке якоря от поперечной составляющей поля в зазоре на х. х. и потери, связанные с процессом коммутации; у синхронных машин — потери на поверхности полюсов и в демпферной обмотке, вызванные высшими гармоническими и зубцовыми гармоническими МДС статора; потери в зубцах и спинке статора от третьей гармонической МДС ротора; потери в обмотке статора от вихревых токов, наводимых собственным потоком рассеяния.

Согласно ГОСТ 1828 при определении КПД добавочные потери при нагрузке у всех электрических машин, кроме синхронных мощностью свыше 100 кВ·А, учитывают приближенно в процентах от отдаваемой мощности для генераторов и от подводимой мощности для двигателей, как указано ниже:

Машины постоянного тока:		1,0
	некомпенсированные
	компенсированные	0.5
Асинхронные двигатели		0,5
Синхронные машины мощностью до 100 кВ·А		0,5

Указанные значения, добавочных потерь относятся к номинальной мощности электрических машин; при мощности, отличающейся от номинальной, эти значения добавочных потерь пересчитывают пропорционально квадрату тока рабочей цепи машины.

Для двигателей постоянного тока с широким регулированием частоты вращения за счет ослабления магнитного поля добавочные потери при номинальной частоте вращения определяют, как указано выше, а при других частотах вращения добавочные потери пересчитывают умножением на коэффициент, зависящий от отношения данной частоты вращения к ее номинальному значению:

Отношение частоты вращения	1,5	2,0	3,0	4,0
Коэффициент	1,4	1,7	2,5	3,2

При расчете синхронных машин мощностью свыше 100 кВ·А добавочные потери предварительно определяют таким же методом, как для машин мощностью до 100 кВ·А, а при испытании машин - в соответствии с ГОСТ 10169.

§4-2. Определение КПД и нагрузки,

соответствующей максимальному КПД

Коэффициент полезного действия машины (о.е.)

(4-2)

где Р₁ — подводимая мощность; — сумма потерь в машине (мощность и потери малых машин могут выражаться в Вт, а больших — в кВт).

При изменении нагрузки машины меняется ее КПД. Определим условия, соответствующие максимальному КПД любой машины. Потери в электрической машине можно подразделить на постоянные и переменные. К постоянным потерям P_пост практически не зависящим от нагрузки, относятся потери в стальных сердечниках. Механические потери и потери в цепи возбуждения (синхронной машины и машины постоянного тока). Переменными потерями P_пер1, зависящими от тока нагрузки в первой степени, являются потери в контактах щеток. К переменным потерям Р_пер2, зависящим от тока нагрузки во второй степени, относятся потери в обмотках (кроме обмотки возбуждения), а также добавочные потери.

На примере работы машины в режиме генератора связь КПД с составляющими потерь выражается следующим образом:

(4-3)

где А и В — коэффициенты пропорциональности.

Взяв производную от (4-3) по току, определим условие, при котором КПД имеет максимальное значение:

(4-4)

Следовательно, максимальному значению КПД соответствует такая нагрузка, при которой переменные потери, пропорциональные I², будут равны постоянным потерям машины. Это условие относится также и к работе машины в режиме двигателя.

Учитывая, что асинхронные двигатели в зависимости от мощности и вида привода работают в среднем при 0,5—0,6 номинальной мощности, а машины постоянного тока и синхронные машины — при 0,6—0,7 номинальной мощности, их целесообразно проектировать так, чтобы КПД достигал максимального или близкого к нему значения при указанных нагрузках.