ГЛАВА ШЕСТАЯ. Потери и КПД

В электромеханических преобразователях (электрических маши­нах) электромеханическое преобразование энергии происходит с обязательным преобразованием части электрической энергии (ре­жим двигателя) или механической (режим генератора) — в тепло [6]. Так как эта часть энергии «теряется» в процессе преобразования, ее принято называть потерями, а отношение полезной работы к затра­чиваемой — коэффициентом полезного действия КПД.

6.1. Классификация потерь

КПД — основной показатель энергетических характеристик электрических машин и его расчет имеет важное значение при их проектировании. Чтобы определить КПД машины, надо, по воз­можности, точно рассчитать потери. Потери в отдельных ее частях необходимо также знать для определения в них температуры, что влияет на расчет размеров и геометрию основных конструкционных узлов электрических машин. Потери в электрических машинах делятся на основные и добавочные.

К основным потерям относятся электрические потери (потери в меди), магнитные (потери в стали) и механические потери. Электри­ческие потери сосредоточены в обмотках электрических машин пе­ременного тока, а в машинах постоянного тока к ним добавляются еще и потери на коллекторе. Магнитные потери возникают там, где замыкается переменный магнитный поток. Механические потери связаны с потерями в подшипниках, с трением вращающихся частей машины о воздух и в скользящих контактах. К механическим поте­рям относятся также вентиляционные потери, которые расходуются па охлаждение машины.

К добавочным потерям относятся потери, которые не были учте­ны при расчете основных потерь.

Магнитные потери и механические потери в большинстве ма­шин не зависят от нагрузки и они являются постоянными потерями. Обычно это потери холостого хода. Электрические потери зависят от нагрузки, поэтому их относят к переменным потерям [6].

Расчету потерь при проектировании уделяется большое внима­ние, так как от этого зависят основные размеры и геометрия элект­рической машины.

6.2. Электрические потери

Электрические потери возникают в проводниках обмоток, сое­динительных шинах и проводах, в переходных контактах щетки — коллектор или щетки — контактные кольца.

Потери в обмотках, соединительных шинах и проводах. Электри­ческие потери Р_э, Вт, в обмотках и всех токоведущих частях элект­рической машины рассчитывают по формуле

Р_э = , (6.1)

где r_vi — сопротивление данной обмотки или i-го участка токопровода, по которому протекает ток I_i, рассчитанное при необходимости с учетом влияния эффекта вытеснения тока, Ом.

Для расчета потерь сопротивление r_v должно быть приведено к расчетной температуре: для обмоток с изоляцией классов нагревостойкости А, Е и В — 75° С, с изоляцией класса F или Н — 115° С (соответственно r_75° и r_115°). Если по обмотке протекает постоянный ток, то для расчета электрических потерь часто используют выраже­ние

P_э = UI, (6.2)

где I— ток в обмотке, A; U— напряжение на концах обмотки, В.

Электрические потери рассчитывают отдельно для каждой из обмоток — обмотки фазы машины переменного тока, обмотки яко­ря, возбуждения и т. п., так как эти данные используют в дальней­шем для тепловых расчетов электрических машин.

Обычно электрические потери в обмотках возбуждения синхро­нных машин и в обмотках параллельного или независимого возбуж­дения машин постоянного тока выделяют из общей суммы электри­ческих потерь и относят к потерям на возбуждение. Для синхронных машин потери в обмотках возбуждения учитывают в тепловых рас­четах, а при определении КПД к потерям на возбуждение относят мощность, потребляемую возбудителем, если он расположен на од­ном валу с ротором или приводится во вращение от вала ротора.

При определении КПД машин постоянного тока учитывают так­же электрические потери в регулировочных реостатах. На тепловое состояние машин эти потери влияния не оказывают, так как реоста­ты располагаются отдельно от машин.

В некоторых обмотках на их различных участках протекают раз­ные токи. В этом случае сопротивление одного из участков приво­дят к току другого. Так, при расчете сопротивления фазы обмотки короткозамкнутого ротора асинхронной машины сопротивление за­мыкающих колец приводит к току стержней обмотки.

Потери в переходных контактах. Электрические потери в пере­ходных контактах щетки -- коллектор или щетки — контактные кольца зависят от тока, протекающего через контакт I_к.к, А, и паде­ния напряжения под щетками U_щ, В:

Р_э.щ = k ΔU_щ I_k.к. (6.3)

В машинах постоянного тока и синхронных коэффициент k = 2, так как ток проходит через два переходных контакта: под положи­тельной и отрицательной щетками. В асинхронных машинах с фаз­ным ротором k = m, где m — число фаз обмотки.

Потери в переходных контактах нельзя рассчитать точно, так как падение напряжения под щетками непостоянно и зависит от ре­жима работы, состояния трущихся поверхностей, удельного давле­ния щеток на коллектор или контактные кольца и от ряда других факторов, изменяющихся во время эксплуатации машины. В расче­тах используют значение ΔU_щ, взятое из технической характеристи­ки конкретной марки щеток, которое принимают постоянным, так как Р_э.щ составляют лишь несколько процентов от общей суммы по­терь в машине, погрешность расчета при этом незначительна.