§ 5.9. Потери и коэффициент полезного действия машин постоянного тока

Преобразование энергии в электрических машинах сопровождается потерями. Различают механические, магнитные и электрические потери. Механические потери складываются из потерь на трение: в подшипниках, вращающихся частей о воздух, щеток о коллектор. К ним относятся также вентиляционные потери. Мощность механических потерь зависит только от скорости вращения якоря и не зависит от нагрузки. Поэтому эти потери называются постоянными.

Судовые электрические машины изготовляются на шарико - и роликоподшипниках и потери на трение в них составляют не более 1—2% от номинальной мощности машины (в зависимости от скорости вращения).

Магнитные потери или потери в стали возникают в сердечнике якоря при его вращении в магнитном пале и в поверхностном слое полюсных наконечников. Они складываются из потерь на гистерезис (потери, связанные с перемагничиванием стали) и потерь на вихревые токи. Мощность магнитных потерь также не зависит от нагрузки и они, относятся к постоянным потерям.

Механические и магнитныепотери являются потерями холостого хода () и определяются из опыта холостого хода.

Электрические потери складываются из потерь на нагревание обмоток: якоря, возбуждения, дополнительных полюсов, компенсационной, а также потерь в щеточном контакте ().

Тепловые потери в проводниках обмотки якоря могут быть определены на основании закона Ленца—Джоуля.

,

где — сопротивление обмоток цепи якоря, приведенное к температуре 75°С

; здесь — сопротивление обмоток цепи якоря при температуре

окружающей среды, ом; —температура окружающей среды, град; —температурный

коэффициент (для меди ).

Потери в обмотке параллельного возбуждения .

Потери в щеточном контакте , где— падение напряжения в переходных контактах пары щеток, принимаемое равным 2в (для угольных и графитных щеток).

Кроме основных видов потерь, в машинах постоянного тока имеются добавочные потери , которые складываются из потерь в сердечнике якоря вследствие искажения магнитного поля реакцией якоря; потерь меди в обмотках якоря и коллекторе от вихревых токов; потерь, возникающих при коммутации тока, и др. Все эти потери не превышают 1% номинальной мощности машины.

Электрические потери зависят от нагрузки машины, тока в цепи якоря , поэтому они относятся к переменным потерям. Этот вид потерь определяется из опыта короткого замыкания.

Все потери в машине равны сумме отдельных потерь

.

На рис. 5.12 даны энергетические диаграммы машин постоянного тока. В генераторе (рис. 5.12, а) происходит преобразование мощности , подводимой к нему от двигателя, в электрическую мощность. В процессе преобразования энергии часть мощности, расходуется на покрытие механических потерьи потерь в стали. Электромагнитная мощностьгенератора определяется как разность между подводимой мощностью и мощностью потерь ,

т. е. . (5.10)

Полезная электрическая мощность , отдаваемая генератором в сеть, определяется из электромагнитной мощности за вычетом потерь в меди и щеточном контакте —

. (5.11)

В двигателях постоянного тока (см. рис. 5.12, б) происходит преобразование электрической мощности , подводимой к двигателю из сети, в механическую мощность, развиваемую двигателем на валу.

Часть полной электрической мощности, подводимой к двигателю, затрачивается на покрытие потерь в цепи возбуждения , в цепи якоря и щеточном контакте. Поэтому

. (5.12)

Полная механическая мощность определяется из мощности за вычетом потерь холостого хода , т. е. потерь в стали и механических потерь:

.

Зная потери в машине, всегда можно определить коэффициент полезного действия (к. п. д.) машины.

Как известно, для генераторов к. п. д. представляет собой отношение электрической полезной мощности машины к механической мощностина валу, т. е.

(5.13)

Для двигателей к. п. д. вычисляется из отношения

(5.14)

Электрическая мощность определяется при помощи электроизмерительных приборов. К. п. д. машины может быть определен из отношения:

для генератора

, (5.15)

для двигателя

. (5.16)

Так как к. п. д. машин зависит от суммы потерь, то он не является величиной постоянной, т. е. зависит от нагрузки. При холостом ходе машин, когда полезная мощность равна нулю, к. п. д. тоже равен нулю. По мере увеличения нагрузки к. п. д. машины быстро увеличивается. Наибольшее значение он имеет при нагрузке, равной 0,8—1,0 . При значительных перегрузках вследствие увеличения потерь в цепи якоря() к. п. д. снова снижается.

К. п. д. электрических машин постоянного тока составляет: для машин малой мощности 75—80%, для машин средней и большой мощности 55—95%.