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.