Мощность и коэффициент полезного действия электрических машин

Потери мощности в электрических машинах. Преобразование механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе сопровождается некоторыми потерями энергии, которые выделяются в виде тепла, нагревая электрическую машину.

Энергетические диаграммы генератора и двигателя постоянного тока (рис. 145) наглядно показывают баланс мощности в этих машинах. Как видно из них, при работе электрической машины возникают потери мощности: электрические, магнитные, механические и добавочные.

Электрические потери ΔР_ел появляются в результате того, что каждая обмотка (в машине постоянного тока обмотки якоря, возбуждения, добавочных полюсов и компенсационная) обладает определенным сопротивлением, препятствующим прохождению по ней электрического тока. Как было показано, они пропорциональны сопротивлению данной обмотки и квадрату протекающего по ней тока, т. е. сильно возрастают с увеличением нагрузки машины. Электрические потери вызывают нагрев проводов обмоток. К электрическим потерям относятся также потери, возникающие при протекании тока через щетки и через переходное сопротивление между щетками и коллектором; они вызывают нагрев коллектора и щеток.

Магнитные потери ΔР_М (потери в стали) возникают в сердечниках якоря и полюсов (главным образом в полюсных наконечниках) в результате перемагничивания стали этих сердечников и образования в них вихревых токов. Перемагничивание стали сердечника якоря происходит потому, что при вращении якоря каждая его точка попеременно проходит то под северным, то под южным полюсом. Перемагничивание стали полюсных наконечников вызывается в результате изменения магнитной индукции в воздушном зазоре машины в пределах ± ΔВ при вращении зубчатого якоря (рис. 146). При этом в прилегающих к зазору ферромагнитных элементах магнитной системы (полюсных наконечниках и зубцах якоря) индуктируются вихревые токи, изменяющиеся с высокой частотой (1000 Гц и более) и сосредоточенные главным образом на их поверхности. Поэтому потери мощности, созданные этими токами, называют поверхностными.

В машинах, имеющих зубцы на статоре и роторе (машины постоянного тока с компенсационной обмоткой, асинхронные и синхронные), при вращении ротора создаются заметные пульсации индукции в зубцах, что также приводит к образованию вихревых токов и соответствующих потерь мощности. Эти потери называются пульсационниыми. Магнитные потери возникают также и в стальных бандажах, укрепляющих обмотку якоря, которые при вращении якоря пересекают силовые линии магнитного поля машины. Магнитные потери вызывают нагрев сердечника якоря и полюсов; они почти не зависят от нагрузки машины, но резко возрастают с увеличением частоты перемагничивания, т. е. частоты вращения якоря.

Механические потери ΔР_МХ возникают в результате трения: в подшипниках, щеток по коллектору, деталей машины о воздух в процессе вентиляции. Эти потери вызывают нагрев подшипников, коллектора и щеток; с увеличением нагрузки они возрастают незначительно. При повышении частоты вращения якоря электрической машины механические потери резко возрастают.

Добавочные потери ΔР_ДОБ обусловливаются различными вторичными явлениями, имеющими место при работе электрических машин под нагрузкой: возникновением вихревых токов в проводниках обмотки якоря, неравномерным распределением тока по сечению проводников и индукции в воздушном зазоре машины, воздействием коммутационных токов (в машинах постоянного тока) и переменных потоков рассеяния (в машинах переменного тока), которые индуктируют вихревые токи в крепежных деталях, и др.

При работе электрической машины под нагрузкой ее проводники, лежащие в пазах ротора и статора, пронизываются продольным и поперечным пазовыми потоками (рис. 147). При вращении якоря эти потоки индуктируют в проводниках вихревые токи, так как якорь, непрерывно перемещаясь, проходит под различными полюсами, вследствие чего все время изменяются и пронизывающие его продольный и поперечный пазовые потоки. То же происходит и при изменении силы тока в проводниках, т. е. нагрузки машины.

Вихревые токи не только увеличивают электрические потери в проводниках об моток, но и приводят к неравномерному распределению тока по сечению проводников, вызывая вытеснение тока в более удаленные от дна паза слои. Это явление возникает из-за действия индуктируемых поперечными пазовыми потоками э. д. с. самоиндукции е_L (рис. 148, а), которые стремятся противодействовать прохождению по проводникам тока нагрузки i_я. В нижних слоях каждого проводника индуктируются большие э. д. с, е_L, чем в верхних, так как их охватывает большое количество силовых магнитных линий (от нижней части паза до рассматриваемого слоя). Поэтому ток, проходящий по проводникам, несколько вытесняется в верхнюю часть и плотность тока δ_i этой части увеличивается (рис. 148, б). В этом отношение условия прохождения постоянного тока по проводникам обмотки якоря аналогичны условиям прохождения переменного тока, который, как это будет подробно рассмотрено ниже, всегда стремится проходить по наружным слоям проводника. Неравномерное распределение тока по поперечному сечению проводника создает добавочные потери мощности, так как при этом как бы уменьшается площадь поперечного сечения и увеличивается электрическое сопротивление проводников.

Для уменьшения добавочных потерь, связанных с этим явлением, в тяговых двигателях стремятся уменьшить высоту проводников обмотки якоря. Для этого проводники разделяют по высоте паза на две-три параллельно соединенные части (рис. 149, а) или располагают их в пазах плашмя (рис. 149, б). При разделении проводников на несколько частей каждую из них изолируют отдельно, для того чтобы вихревые токи замыкались только в пределах одной части.

Коэффициент полезного действия. Соотношение между потребляемой и отдаваемой машиной мощностями характеризуется коэффициентом полезного действия:

для генератора

η = Р_ел/Р_мх = Р_ел / (Р_ел + ΔР);

для двигателя

η = Р_мх/Р_ел = Р_мх / (Р_мх + ΔР),

где ΔР — суммарные потери мощности.

К. п. д. стационарных машин постоянного тока колеблется в зависимости от мощности машины в пределах от 0,75 до 0,95 (машины большой мощности имеют более высокий к. п. д.). К. п. д. тяговых двигателей составляет 0,86—0,92, к. п. д. тепловозных генераторов— 0,92—0,34.

При изменении нагрузки отдельные виды потерь изменяются по-разному. Электрические потери ΔР_ел в обмотках, по которым проходит ток нагрузки I_я (обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной), изменяются пропорционально I_я²; электрические потери в щеточном контакте ΔР_щ.ел — пропорционально I_я, а магнитные ΔР_м и механические ΔР_МХ остаются практически постоянными — такими же, как и при холостом ходе, если напряжение машины U и частота ее вращения п не изменяются. По этому принципу все виды нотерь можно разделить на две группы: постоянные потери ΔР _пост = ΔР _М + ΔР_МХ и переменные ΔР _пер = ΔР_ел + ΔР _щ.ел, которые можно считать пропорциональными квадрату тока нагрузки I_я (обычно значение потерь ΔР _щ.ел мало по сравнению с ΔР_ел). Формула для определения к. п. д. принимает вид

η = Р₂/Р₁ = Р₂/(Р₂ + ΔР_пер + ΔР_пост),

где Р ₂ — полезная мощность, отдаваемая машиной (Р _эл в генераторах и Р _мх — в электродвигателях);

Р₁ — потребляемая машиной мощность.

При холостом ходе полезная мощность Р₂ = 0, поэтому к. п. д. тоже равен нулю (рис. 150). При малых нагрузках магнитные и механические потери, оставаясь постоянными, имеют относительно большое значение по сравнению с полезной мощностью и к. п. д. незначителен. В дальнейшем с увеличением нагрузки полезная мощность Р₂ и к. п. д. увеличиваются и при некотором значений Р _2кр к. п. д. достигает максимального значения. Этот режим соответствует равенству ΔР _пост = ΔР _пер (точка А на рис. 150). Обычно максимум к. п. д. имеет место при 75—85% номинальной мощности. При дальнейшем возрастании нагрузки к. п. д. начинает падать, так как рост электрических потерь, пропорциональный квадрату тока нагрузки I_я², начинает превышать прирост полезной мощности, пропорциональный только первой степени от этого тока.

В зависимости от назначения локомотива целесообразно, чтобы максимальное значение к. п. д. электродвигателей было при различных нагрузках. Это обеспечивают при проектировании за счет перераспределения отдельных видов потерь мощности. Например, для тяговых двигателей электропоездов, работающих в условиях частых пусков с большими токами, выгоднее, чтобы максимальный к. п. д. располагался в зоне больших нагрузок, что достигают путем снижения электрических потерь. Для двигателей электровозов и тепловозов, работающих преимущественно при токах, меньших номинального, стремятся, чтобы максимальный к. п. д. находился в зоне средних токов. Добиться этого можно за счет уменьшения магнитных и механических потерь.

Нагревание электрических машин. Нагрузочная способность электрических машин в большинстве случаев определяется условиями нагревания, так как повышение температуры является главной причиной, ограничивающей мощность машины при длительных нагрузках. С увеличением нагрузки возрастают потери энергии в машине, увеличивается количество выделяющегося тепла и при чрезмерной нагрузке температура отдельных ее частей может превысить допустимые пределы.

Процессы нагревания и охлаждения во всех типах электрических машин подчиняются общим законам, так как любую электрическую машину можно в первом приближении рассматривать как некоторое однородное тело. Тепло, выделяющееся в электрической машине, частично затрачивается на повышение температуры машины, а частично отдается в окружающую среду. Чем больше превышение температуры машины θ над температурой окружающей среды, тем энергичнее идет теплоотдача, поэтому при некотором определенном превышении температуры устанавливается тепловое равновесие; в машине выделяется столько тепла, сколько она отдает в окружающую среду.

Превышение температуры, при котором наступает тепловое равновесие, называется установившимся превышением температуры θ_∞. После достижения теплового равновесия машина может работать при данной нагрузке сколь угодно долгое время без дальнейшего повышения температуры.

При увеличении нагрузки машины возрастают потери мощности ΔР и количество выделяемого тепла, а также повышается значение θ_∞. Следовательно, чем больше мощность, отдаваемая машиной, тем выше ее температура. При снятии нагрузки температура машины постепенно снижается.

Для более наглядного представления о характере изменения превышения температуры θ от времени по опытным данным строят кривые нагревания и охлаждения электрических машин.

В процессе нагревания и охлаждения превышение температуры машины θ над температурой окружающей среды изменяется. При нагревании (например, при увеличении нагрузки) величина θ возрастает (кривая 1 на рис. 151, а) от некоторого начального значения θ₀, постепенно приближаясь к установившемуся значению θ_∞1. При охлаждении (например, при уменьшении нагрузки) величина θ уменьшается (кривая 2) до другого установившегося значения θ_∞2.

Температура, при которой может нормально работать электрическая машина, строго ограничена теплостойкостью ее деталей. Особенно чувствительны к повышению температуры изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах и, в частности, изоляция проводов их обмоток. Поэтому тепловое равновесие в машине должно устанавливаться при такой температуре, которая не вызывает разрушение изоляции, однако постепенный износ изоляции (ее «старение») неизбежен. Чем выше допустимая предельная температура отдельных частей, тем меньше срок службы электрической машины вследствие «старения» ее изоляции и тем менее надежна она в эксплуатации. С другой стороны, чем выше эта температура, тем больше можно нагрузить данную машину. Государственными стандартами на электрические машины установлены предельные значения температуры отдельных их деталей. Эти температуры выбраны на основании опытов. Их соблюдение позволяет обеспечить достаточно длительную (примерно 15—20 лет) и надежную работу машины при хорошем использовании материалов.

Нормируются превышения температуры различных частей электрической машины по отношению к температуре окружающей среды. Предельные превышения температуры определяются теплостойкостью изоляции, применяемой в электрической машине.

Длительная и часовая мощности. В паспорте стационарных электрических машин обычно указывают их номинальную длительную мощность Р _∞, т. е. такую мощность, которую машина может отдавать неограниченно долго, не перегреваясь ни в одной своей части свыше значений θ_max допускаемых нормами. При работе машины в режиме номинальной длительной мощности θ_∞1 = = θ_max (рис. 151, б); тепловое равновесие практически достигается через 3—6 ч.

Номинальная длительная мощность машины зависит от теплостойкости применяемой изоляции и интенсивности охлаждения. Чем выше интенсивность охлаждения, тем большую мощность можно получить от данной машины без недопустимого превышения ее температуры. Поэтому в большей части электрических машин применяют принудительное охлаждение внутренних деталей воздухом, прогоняемым посторонним вентилятором (при независимой вентиляции), или вентилятором, насаженным на вал самой машины (при самовёнтиляции).

Таким образом, основными мероприятиями, обеспечивающими увеличение мощности, которую можно получить от электрических машин, является применение более теплостойкой изоляции и усиление интенсивности их охлаждения. Эти меры широко применяют в электромашиностроении; благодаря их использованию удалось в течение последних 50 лет уменьшить примерно в 2—4 раза массу и размеры электрических машин одинаковой мощности.

При работе машины с мощностями Р₂ и Р₃, большими, чем Р _∞ (с перегрузкой), величины θ_∞2 и θ_∞3 будут больше максимально допустимогр значения θ_max (см. рис. 151, б). Следовательно, длительная работа машины при таких мощностях недопустима и время ее работы должно быть ограничено соответственно значениями t₂ и t₃. При этом перегрузка должна быть снята прежде, чем температура машины достигнет предельного значения. Чем больше перегрузка, тем быстрее возрастает температура и тем скорее она достигает предельного значения. Поэтому небольшие перегрузки электрические машины могут выдерживать сравнительно длительное время, большие же перегрузки должны быть кратковременными. При работе тяговых двигателей режим их нагрузки резко меняется в зависимости от профиля пути и массы поезда; эти условия работы тяговых двигателей не позволяют характеризовать их работоспособность одним значением номинальной длительной мощности. Поэтому наряду с номинальной длительной мощностью для характеристики тяговых двигателей используют также понятия часовой и максимальной мощностей. Часовой мощностью (мощностью часового режима) называется мощность, при которой машина может работать в течение 1 ч с нормально действующей вентиляцией от холодного состояния, не перегреваясь свыше предельной температуры. Эта мощность, так же как и длительная, ограничивается условиями нагревания машины, она позволяет судить о временной перегрузочной способности двигателя. Токи, соответствующие номинальным длительной и часовой мощностям, называются длительными и часовыми токами тягового двигателя. В паспортах тяговых двигателей указывают обычно их часовую мощность.

Наибольшей мощностью тягового двигателя называется мощность, которую он может кратковременно отдавать (в течение 1 мин) без недопустимого искрения под щетками и возникновения кругового огня; следовательно, она ограничивается условиями коммутации машины. Отношение максимальной мощности к часовой называют коэффициентом перегрузки или перегрузочной способностью машины. По стандарту на тяговые двигатели коэффициент перегрузки их должен быть не менее двух. Отношение длительной мощности к часовой характеризует интенсивность вентиляции двигателя и называется коэффициентом вентиляции. У современных тяговых машин с независимой вентиляцией этот коэффициент составляет 0,8—0,9.

В эксплуатации работа тяговых двигателей с часовой мощностью может иметь место при движении поезда на подъемах. На руководящих подъемах, движение по которым продолжается менее получаса, реализуется мощность, несколько большая, чем часовая. При движении на наибольших незатяжных подъемах мощность двигателей может превышать часовую на 10—15%. При пуске электровозов и тепловозов токи тяговых двигателей могут превышать часовой ток на 60—80%.