Потери в электрических машинах постоянного тока и коэффициент полезного действия

Виды потерь

При работе электрической машины часть потребляемой ею энергии теряется бесполезно и рассеивается в виде тепла, нагревая отдельные части машины. Потери в электрических машинах подразделяют на основные и добавочные. Основные потери возникают в результате происходящих в машине основных электромагнитных и механических процессов, а добавочные — вследствие продольной пульсации потока, обусловленной зубчатостью якоря, от неравномерного распределения в пазу основного магнитного потока и др. Независимо от режима, в котором работает машина (генератором или двигателем), основные потери подразделяются на электрические, магнитные, или потери в стали, и механические.

Электрические потери. Электрические потери в каждой обмотке P_эл = I²R. Сопротивление обмотки зависит от ее температуры. Поэтому ГОСТ 2582—72 предусматривает определение потерь в обмотках при расчетной температуре 75°С для классов изоляции обмоток А; 115°С для классов изоляции Е и В; 130°С для классов F и Н. Обычно рассчитывают потери в цепи якоря и в цепи возбуждения (для параллельной обмотки возбуждения) . При температуре θ сопротивление обмотки

, (7.1)

где R₀ — сопротивление обмотки при температуре ;

— температурный коэффициент сопротивления (для меди = 0,004).

К электрическим потерям относят также потери в щеточных контактах. Для двух щеток различной полярности величина потерь , где — переходное падение напряжения на щетках, принимаемое е соответствии с маркой щеток: для угольных и графитных 2 В, для металло-графитных 0,6 В.

Магнитные потери. Магнитные потери включают в себя потери на гистерезис и вихревые токи, вызванные перемагничиванием стали. Величина магнитных потерь зависит от магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря f\ так как f=pn/60 и не зависит от нагрузки машины, то при п = const их можно считать постоянными. Потери от гистерезиса (Вт/кг)

, (7.2)

где —коэффициент, зависящий от марки стали;

f=pn/60 — частота перемагничивания;

В — наибольшее значение магнитной индукции в стали.

Потери от вихревых токов

, (7.3)

где — коэффициент, зависящий от марки и толщины листов стали (для слабо- и среднелегированных марок стали = 3,64 2,9, для высоколегированной = 1 0,6).

Механические потери.Механические потери Р_мех состоят из потерь в подшипниках, на трение щеток о коллектор и вентиляционных (потери на трение о воздух вращающихся частей машины). Потери в подшипниках зависят от типа подшипников, от состояния трущихся поверхностей, вида смазки и др. При работе электрической машины эти потери зависят только от частоты вращения и не зависят от нагрузки.

Потери в подшипниках . где — коэффициент трения; — давление на подшипник; — частота вращения шейки вала. Потери на трение щеток , где — удельное давление на щетку; — контактная поверхность всех щеток; — окружная скорость коллектора. Потери на вентиляцию Р_вен зависят от конструкции машины и рода вентиляции. В самовентилируемых машинах со встроенным вентилятором потери на вентиляцию , где — коэффициент; — количество вентилируемого воздуха, м³/с; — скорость на внешней окружности вентилятора, м/с.

Общие механические потери Р_мех = Р_пш + Р_тр.щ + Р_вен. Сумма магнитных и механических потерь составляет потери х. х. Р₀ = Р_с + Р_мех.

Добавочные потери.Добавочные потери трудно учитываемые — это потери в полюсных наконечниках, возникающие при вращении якоря и обусловленные его зубчатостью, потери в стали якоря вследствие искажения основного поля реакцией якоря и др. Поэтому в машинах без компенсационной обмотки величину добавочных потерь принимают равной 1% от полезной мощности для генераторов или 1% от подводимой мощности для двигателей. В машинах с компенсационной обмоткой величина добавочных потерь принимается равной 0,5%.