Потери и КПД синхронных машин

Преобразование энергии в синхронной машине связано с по­терями энергии. Все виды потерь в синхронной машине разделя­ются на основные и добавочные.

Основные потери в синхронной машине слагаются из электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение, магнитных потерь и механических потерь.

Электрические потери в обмотке статора (Вт)

Р_э1 = m₁ I₁² r₁ (20.37)

где r₁ — активное сопротивление одной фазы обмотки статора при расчетной рабочей температуре, Ом.

Потери на возбуждение (Вт):

а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройства

Р_в = I_в² r_в + ΔU_щ I_в (20.38)

где r_в — активное сопротивление обмотки возбуждения при рас­четной рабочей температуре, Ом; ΔU_щ = 2 В — падение напряже­ния в щеточном контакте щеток;

б) при возбуждении от генератора постоянного тока (возбуди­теля), сочлененного с валом синхронной машины,

Р_в = (I_в² r_в + ΔU_щ I_в)/ η_в. (20.39)

где η_в. = 0,80 ÷ 0,85 — КПД возбудителя.

Магнитные потери синхронной машины происходят в сердеч­нике статора, который подвержен перемагничиванию вращаю­щимся магнитным полем. Эти потери состоят из потерь от гисте­резиса Р_г и потерь от вихревых токов Р_в.т:

Р_м = Р_г + Р_в.т. (20.40)

Механические потери (Вт), равные сумме потерь на трение в под­шипниках и потерь на вентиляцию (при самовентиляции машины),

Р_мех ≈ 3,68р ( ) ³ (20.41)

где

v₂ = π (D₁ - 2δ)n₁/ 60 (20.42)

— окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, м/с; l₁ — конструктивная длина сердечника статора, мм.

Добавочные потери в синхронных машинах разделя­ются на два вида: пульсационные потери в полюсных наконечниках ротора и потери при нагрузке.

Добавочные пульсационные потери Р_п в полюсных наконеч­никах ротора обусловлены пульсацией магнитной индукции в зазоре из-за зубчатости внутренней поверхности статора. Значение этих потерь (Вт)

Р_п = k_п р b_п l₁ (10^-4 Z₁ n₁)^1,5 [B_δ (k_δ1 – 1 )t₁]² 10^-6, (20.43)

где k_п - коэффициент, учитывающий толщину листов полюсов ротора (при толщине листов 1 мм k_п = 4,6; при толщине листов 2 мм k_п = 8,6; при массивных полюсных наконечниках k_п = 23,3); b_р — ширина полюсного наконечника, мм; Z₁ — число пазов на статоре;

B_δ - магнитная индукция в зазоре, Тл; k_δ1- коэффициент воздушного зазора статора; t₁ - зубцовое деление статора, мм.

Добавочные потери при нагрузке P_доб в синхронных машинах определяют в процентах от подводимой мощности двигателей или от полезной мощности генераторов. Для синхронных машин мощ­ностью до 1000 кВт добавочные потери при нагрузке принимают рав­ными 0,5%, а для машин мощностью более 1000 кВт — 0,25—0,4%. Суммарные потери в синхронной машине (кВт)

∑Р = (Р_э1 + Р_в + Р_м1 + Р_мех + Р_п + Р_доб) 10^-3 (20 44)

Коэффициент полезного действия: для синхронного генератора

η_г = 1 - ∑Р / (Р_ном + ∑Р ) (20.45)

где

Р_ном = m₁ U_1ном I_1ном cos φ₁ 10^-3 (20.46)

- активная мощность, отбираемая от генератора при его номи­нальной нагрузке, кВт;

для синхронного двигателя

η_д = 1 - ∑Р / Р_1ном (20.47)

Здесь U_1ном и I_1ном — фазные значения напряжения и тока статора.

КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (β = Р₂/ Р_ном) и от ее характера (соs φ₁). Графики этой зависимости аналогичны изображенным на рис. 1.41. КПД синхронных машин мощностью до 100 кВт составляет 80—90%, у более мощных ма­шин КПД достигает 92—99%. Более высокие значения КПД отно­сятся к турбо- и гидрогенераторам мощностью в десятки и даже сотни тысяч киловатт.

Контрольные вопросы

1.Из каких участков состоит магнитная цепь явнополюсной синхронной ма­шины?

2. В чем состоит явление реакции якоря?

3. Каково действие реакции якоря при активной, индуктивной и емкостной на­грузках синхронного генератора?

4. Какие ЭДС наводят в обмотке статора явнополюсного синхронного генера­тора магнитные потоки реакции якоря и каким индуктивным сопротивлени­ям эти ЭДС эквивалентны?

5. Почему характеристика к.з. синхронной машины имеет вид прямой линии?

6. Что такое ОКЗ и как влияет этот параметр на свойства синхронного генера­тора?

7. Что такое номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки и почему при емкостной нагрузке его величина отрицательна?.

8. Определите изменение напряжения при сбросе нагрузки для примера 20.2, если генератор работал с нагрузкой, равной половине номинальной.

9.Какие виды потерь имеют место в синхронной машине?