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)

Рэ1 = m1I²₁r1 (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

Рв = I^в₂rв + ΔUщIв, (20.38)

где rв — активное сопротивление обмотки возбуждения при рас­четной рабочей температуре, Ом;

ΔUщ = 2 В — падение напря­жения в щеточном контакте щеток;

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

Рв = (I^в₂rв+ ΔUщIв)/ηв, (20.39)

где ηв = 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 Рг и потерь от вихревых токов Рв.т.:

Рм=Рг + Рв.х. (20.40)

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

, (20.41)

где

υ2 = 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 Рп в полюсных наконеч­никах ротора обусловлены пульсацией магнитной индукции в зазоре из-за зубчатости внутренней поверхности статора. Значе­ние этих потерь (Вт)

Рп = kпрbpl1(10^-4Z1n1)^1.5[Bδ(kδ1-1)t1]2·10^-6, (20.43) где kп — коэффициент, учитывающий толщину листов полюсов ротора (при толщине листов 1 мм kп =4,6; при толщине листов 2 мм kп — 8,6; при массивных полюсных наконечниках kп = 23,3); bp — ширина полюсного наконечника, мм; Z1— число пазов на статоре; Вδ— магнитная индукция в зазоре, Тл; k δ1 — коэффи­циент воздушного зазора статора; t1 — зубцовое деление стато­ра, мм.

Добавочные потери при нагрузке Рдоб 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 —25.0,4%. Суммарные потери в синхронной машине (кВт)

∑Р = (Рэ1 + Рв + Pм1 + Рмех +Рп+ Рдоб) • 1 0^-3. (20.44)

Коэффициент полезного действия: для синхронного генератора

ηг = 1-∑Р /(Р_ном+∑Р), (20.45)

где

Р_ном = m₁U₁ Р_ном I₁Р_ном cosφ₁·10 ^-3 (20.46)

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

для синхронного двигателя

ηд = 1-∑P/P₁ном. (20.47)

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

КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (β= Р2/Рном) и от ее характера (cosφ1). 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 1 десятки и даже сотни тысяч киловатт.

Контрольные вопросы

Из каких участков состоит магнитная цепь явнополюсной синхронной машины?

В чем состоит явление реакции якоря?

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

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

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

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

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

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

Какие виды потерь имеют место в синхронной машине?