14. 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.  

1. Механические потери р_мх. 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.  

2. Магнитные потери р_МГ. 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.

1. 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 ηmax 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.

Рисунок 1 — Типовая кривая КПД для ЭМП