Потери мощности в электрической машине

Работа электрической машин сопровождается безвозвратной для нее потерей части мощности.

Эта мощность расходуется на преодоление различных видов трения (в том числе и молекулярного) в токо- и потокопроводящих материалах, в переходных контактах и перемещающихся поверхностях. Все потери превращаются в тепло, рассеивающееся в пространство.

Возникающие в машине потери могут быть равными рассеивающимся или оказаться больше их (при перегрузке). В первом случае машина будет  работать с постоянной температурой своих частей, во втором температура машины будет расти, вызывая преждевременное старение изоляции или вовсе разрушая ее.

Различают основные и добавочные потери. К основным относят электрические, магнитные и механические. К добавочным - большую группу незначительных по величине потерь, возникающих в активных и конструктивных элементах от побочных явлений в машине: вытеснения тока в обмотках, продольных и поперечных пульсаций магнитного потока, искажения формы потока, ЭДС, тока, вихревых токов в крепежных деталях и т.д.

Расчет добавочных потерь сложен и не гарантирует достаточной точности. В ориентировочных расчетах допускается определение суммы добавочных потерь частью номинальной мощности машины:

 

                                          (7.1)

 

где  - мощность, подведенная  к  двигателю или полезно отданная генератором в номинальном режиме. Для других нагрузок эти потери пересчитывают пропорционально квадрату тока нагрузки.

Все виды добавочных потерь, не связанных непосредственно с электрическими процессами в цепях обмоток машины, покрываются за счет механической мощности машины.

Электрические потери  в каждой обмотке вычисляют по формуле

 

                                                   (7.2)

 

Сопротивление r обмотки зависит от ее температуры и поэтому эти потери определяют при температуре 75 °С для классов изоляции А, Е, В и 115 °С для классов F и Н. По формуле (7.2) рассчитывают потери в обмотках якорей машин постоянного тока, синхронных машин, статорных и роторных обмоток асинхронных машин. Эти потери переменны и зависят от второй степени тока нагрузки:

 

                                                                                       (7.3)

 

К электрическим потерям относят также потери в регулировочных реостатах и потери в щеточных контактах. Потери в переходных контактах щеток зависят от материала щеток:

 

.                                     (7.4)

 

Здесь  падение напряжения, приходящееся на один щеточный контакт. Так как  зависит от разных величин и факторов, то с целью упрощения расчетов, согласно ГОСТ 112826-85, принимают для угольных и графитных щеток  1 В, для металлоугольных щеток 0,3 В.

Потери в обмотках возбуждения по своей сущности не отличаются от потерь в якорных обмотках и могут быть рассчитаны по той же формуле (7.2). Пренебрегая в первом приближении изменением напряжения машины при различных нагрузках, удобнее рассчитывать потери вобмотках возбуждения по формуле

 

,                                         (7.5)

 

где и  - номинальные значения тока и напряжения обмотки возбуждения, соответственно.

Магнитные потери обусловлены явлением гистерезиса и вихревыми токами.  Потери на гистерезис  пропорциональны частоте f и квадрату индукции . Потери от вихревых токов , пропорциональны квадратам частоты  и индукции В ². В практических расчетах электрических машин определяют сразу полные магнитные потери  в отдельных элементах магнитопроводов, в каждом из которых магнитная индукция постоянна. В машинах постоянного тока вычисляют отдельно потери в сердечнике якоря

 

                     (7.6)

 

и в зубцах якоря

 

.                           (7.7)

 

Здесь  и  удельные потери в стали на единицу массы при частоте  = 50Гц и индукциях соответственно В = 1Тл и В = 1,5 Тл;  и  средние значения магнитной индукции в спинке и зубцах якоря;  и  массы стали спинки и зубцов якоря;  и  коэффициенты,  учитывающие увеличение потерь вследствие обработки стали (наклеп при штамповке, замыкание листов в пакете), из-за неравномерности распределения магнитной индукции и несинусоидальности закона изменения магнитной индукции во времени.

К магнитным потерям относят и такие добавочные потери , которые зависят от значения основного магнитного потока машины и вызваны зубчатым строением сердечников – пазов и зубцов на якоре, в полюсных наконечниках (при установке в машине компенсационной обмотки). Эти потери иногда называют добавочными потерями холостого хода, так как они существуют в возбужденной машине уже при холостом ходе, вследствие пульсаций магнитного потока.

Общие магнитные потери

 

.                               (7.8)

 

Механические потери  составляют потери в подшипниках, на трение щеток о коллектор или контактные кольца и вентиляционные потери, которые включают потери на трение частей машины о воздух и другие потери, связанные с вентиляцией машины (мощность кинетической энергии отходящего воздуха и потери в вентиляторе).

Потери в подшипниках  зависят от типа подшипников (качения или скольжения), от состояния трущихся поверхностей, вида смазки и т.д. При работе данной машины эти потери зависят только от скорости вращения и не зависят от нагрузки.

Потери на трение щеток могут быть вычислены по формуле

 

,                                 (7.9)

 

где - коэффициент трения щеток о коллектор или контактные кольца;  удельное давление на щетку;  контактная поверхность всех щеток;  окружная скорость коллектора или контактных колец.

Потери на вентиляцию  зависят от конструкции машины и рода вентиляции. В самовентилируемых машинах со встроенным центробежным вентилятором потери на вентиляцию в ваттах иногда вычисляют по эмпирической формуле

                   (7.10)

Здесь  количество воздуха, прогоняемого через машину, ;  окружная скорость вентиляционных крыльев по их внешнему диаметру, м/c.

Так как  также пропорциональна , то из выражения (7.10) следует, что потери  пропорциональны третьей степени скорости вращения машины.

Общие механические потери

.                    (7.11

В каждой машине потери  зависят только от скорости вращения и не зависят от нагрузки. В машинах постоянного тока мощностью 10 – 500 кВт потери  составляют соответственно около 2 – 0,5 % от номинальной мощности машины.

Суммарные или полные потери  представляют сумму всех потерь:

 

.                            (7.12)

 

В машинах постоянного тока средней мощности эти потери составляют от 8 до 22 % от номинальной мощности.