3.2 Эффективность электрических машин и причины потери электроэнергии. Важность правильного охлаждения электрической машины

Во время работы часть потребляемой электрической машиной энергии расходуется на нагрев ее деталей. Поэтому механическая энергия на валу двигателя всегда меньше, чем потребляемая им электрическая энергия, а электрическая энергия, которую отдает в сеть генератор, меньше, чем механическая энергия, затрачиваемая на вращение его ротора. Разность между потребляемой и отдаваемой энергиями не может быть использована для полезной деятельности. Эта часть энергии как бы «теряется». Поэтому ее называют потерями и для удобства сравнения с мощностью машины оценивают за единицу времени и выражают в единицах мощности.

Потери в машинах в зависимости от вызывающих их физических процессов подразделяют на электрические, магнитные, механические и вентиляционные. Те части машины, в которых возникают потери, нагреваются. Электрические потери вызывают нагрев обмоток статора и ротора проходящими по ним токами; магнитные потери - нагрев магнитопровода из-за вихревых токов, наводящихся в нем переменным магнитным потоком, и перемагничивания стали; механические потери - нагрев подшипников из-за трения при работе машины. К вентиляционным потерям относят мощность, которую надо затратить для вращения вентилятора, охлаждающего электрическую машину, и на трение вращающихся частей машины о воздух. Все другие виды потери, возникающие при работе электрической машины, называют добавочными. Они невелики и обычно не превышают нескольких процентов от суммы всех потерь в машине.

Коэффициентом полезного действия (кпд) электрической машины, так же как и всякой другой машины, называют отношение отдаваемой мощности к потребляемой, выраженное в процентах: η = (Р2/Р1)х100. В электрических двигателях Р2 - мощность, которую двигатель передает соединенному с ним механизму, т. е. мощность на валу двигателя, a P1 потребляемая двигателем мощность из электрической сети; в генераторах Р2 - электрическая мощность, отдаваемая генератором в сеть, а Р1 - мощность, затрачиваемая на вращение вала генератора.

Кпд электрических машин очень высок. Он больше, чем в каких-либо других видах машин. Кпд мощных синхронных генераторов - турбогенераторов и гидрогенераторов - превышает 98%. Это значит, что на потери расходуется меньше 2% потребляемой ими энергии пара или воды. С уменьшением мощности машины ее кпд снижается. В машинах средней мощности он уменьшается до 80-90%, а машины мощностью меньше 1 кВт имеют кпд не выше 50-60%. Каждая электрическая машина рассчитана на работу при определенном напряжении сети, с определенными частотой вращения, током и мощностью. Эти данные называют номинальными и указывают на паспортной табличке, которую укрепляют на корпусе машины. Если электрический двигатель или генератор нагрузить больше, чем указано в паспортной табличке, его нагрузка и ток в его обмотках будет также больше номинального. Электрические потери возрастут, нагрев обмоток увеличится и может превзойти допустимый для их изоляции предел. Изоляция обмоток потеряет электрическую прочность, машина выйдет из строя. Чтобы снизить, нагрев при работе, электрическую машину охлаждают. Наиболее распространено воздушное охлаждение - поток воздуха с помощью вентилятора, установленного на валу машины. Машина охлаждается лучше, если вместо воздуха обдувать ее наиболее нагревающиеся части водородом. Водородное охлаждение много сложнее и дороже воздушного, поэтому его применяют лишь в ответственных машинах большой мощности, чаще всего в турбогенераторах.

Еще более интенсивное охлаждение обмоток достигается водой. Обмотки машин с водяным охлаждением выполняются из полых проводников, по внутренним каналам которых пропускается дистиллированная вода. Водяное охлаждение применяют в наиболее крупных гидрогенераторах и турбогенераторах. Все электрические машины общего назначения имеют воздушное охлаждение.