Потери и кпд машин постоянного тока

В машинах постоянного тока при работе происходит потеря энергии, которая складывается из трех составляющих.
Первой составляющей являются потери в стали Рст на гистерезис и вихревые токи, возникающие в сердечнике якоря. При вращении якоря машины сталь его сердечника непрерывно перемагничивается. На ее перемагничивание затрачивается мощность, называемая потерями на гистерезис.

Одновременно при вращении якоря в магнитном поле в сердечнике его индуктируются вихревые токи. Потери на гистерезис и вихревые токи, называемые потерями в стали, обращаются в тепло и нагревают сердечник якоря.
Потери в стали зависят от магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря.

Магнитная индукция определяет эдс машины или, иначе, напряжение, а частота перемагничивания зависит от частоты вращения якоря. Поэтому при работе машины постоянного тока в режиме генератора или двигателя потери в стали будут постоянными, не зависящими от нагрузки, если напряжение на зажимах якоря и частота его вращения постоянны.

Ко второй составляющей относятся потери энергии на нагревание проводов обмоток возбуждения и якоря проходящими по ним токами, называемые потерями в меди, - Робм.
Потери в обмотке якоря и в щеточных контактах зависят от тока в якоре, т. е. являются переменными - меняются при изменениях нагрузки.

Третья составляющая - механические потери Рмех, представляющие собой потери энергии на трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и щеток о коллектор. Эти потери зависят от частоты вращения якоря машины. Поэтому механические потери также постоянны, не зависят от нагрузки.
Кпд машины в процентах:
= P2/P1 x 100%
где Р2 - полезная мощность; Р1 - потребляемая машиной мощность.

При работе машины генератором полезная мощность P2 = UI,
где U - напряжение на зажимах генератора; I - ток в нагрузке.

Потребляемая мощность
P1 = P2 + Pст + Pобм + Pмех = UI + Pст + Pобм + Pмех

и кпд = (UI/(UI + Pст + Pобм + Pмех)) x 100%.

При работе машины двигателем потребляемая мощность
P1 = UI,
где U - напряжение питающей сети; I - ток, потребляемый двигателем из сети.

Полезная мощность
P2 = P1 - Pст - Pобм - Pмех = UI - Pст - Pобм - Pмех
и кпд
= ((UI - Pст - Pобм - Pмех)/UI) x 100%.

ИЛИ

В машинах постоянного тока различают следующие основные виды потерь мощности:

1. Потери мощности в сопротивлениях цепи якоря: Δ Р _я = I _я² r _я. Как видно, потери мощности Δ Р _я зависят от нагрузки машины. Поэтому их называют переменными потерями мощности.

2. Потери мощности в стали Δ Р _c, вызванные главным образом вихревыми токами и перемагничиванием магнитопровода якоря при его вращении. Частично эти потери возникают из-за вихревых токов в поверхностном слое полюсных наконечников, вызванных пульсацией магнитного потока при вращении якоря.

3. Механические потери мощности Δ Р _мех, причиной которых является трение в подшипниках, щеток о коллектор, вращающихся частей о воздух.

4. Потери мощности в цепи параллельной или независимой обмотки возбуждения: Δ Р _в = U _в I _в = I _в² r _в.

Потери Δ Р _с, Δ Р _мех, Δ Р _в при изменении нагрузки машин меняются незначительно, вследствие чего их называют постоянными потерями мощности.

КПД машин постоянного тока

η = P ₂/ P ₁,

где Р ₂ — полезная мощность машины (у генератора — это электрическая мощность, отдаваемая приемнику, у двигателя — механическая мощность на валу); Р ₁ — подводимая к машине мощность (у генератора — это механическая мощность, сообщаемая ему первичным двигателем, у двигателя — мощность, потребляемая им от источника постоянного тока; если генератор имеет независимое возбуждение, то P ₁ включает в себя также мощность, необходимую для питания цепи обмотки возбуждения).

Рис. 9.36. Зависимость КПД машин постоянного тока от полезной мощности

Очевидно, мощность Р ₁ может быть выражена следующим образом: Р ₁ = Р ₂ + ΣΔ P,

где Δ P — сумма перечисленных выше потерь мощности.

С учетом последнею выражения

η = P ₂/(P ₂ + ΣΔ P).

Когда машина работает вхолостую, полезная мощность Р ₂ равна нулю и η = 0. Характер изменения КПД при увеличении полезной мощности зависит от значения и характера изменения потерь мощности. Примерный график зависимости η (Р ₂) приведен на рис. 9.36.

При увеличении полезной мощности КПД сначала возрастает при некотором значении Р ₂, достигает наибольшего значения, а затем уменьшается. Последнее объясняется значительным увеличением переменных потерь, пропорциональных квадрату тока. Машины рассчитывают обычно таким образом, чтобы наибольшее значение КПД находилось в области, близкой к номинальной мощности Р _2ном. Номинальное значение КПД машин мощностью от 1 до 100 кВт лежит примерно в пределах от 0,74 до 0,92 соответственно.