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 их электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение магнитных потерь и механических потерь.

Электрические потери в обмотке статора (Вт)

(6.13)

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

Потери на возбуждение (Вт):

а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройства

(6.14)

где r₁ – активное сопротивление обмотки возбуждения при расчетной рабочей температуре, Ом; ∆U_щ=2В – падение напряжения в щеточном контакте щеток;

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

(6.15)

где η_в – 0,80 ÷0,85 – КПД возбудителя.

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

P_м= P_г+ P_в.т. (6.16)

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

(6.17)

где

(6.18)

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

(6.19)

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_p – ширина полюсного наконечника, мм; z₁ – число пазов на статоре; B_δ – магнитная индукция в зазоре 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)

(6.20)

Коэффициент полезного действия:

для синхронного генератора

(6.21)

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

для синхронного двигателя

(6.22)

Здесь U_1ном и I_1ном – фазные значения напряжения и тока статора. КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (β=P₂/P_ном) и от ее характера (cosφ₁). 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. При изменении тока возбуждения I_в ток статора I₁. (рис. 6.10).

Рис. 6.10 Зависимость cosφ и I₁ от тока возбуждения I_в

При изменении I_в I₁ меняется по амплитуде и фазе.

При недовозбуждении синхронный двигатель потребляет ток из сети, при перевозбуждении отдает его в сеть (см. рис. 6.10).

Это свойство используют для компенсации мощности в электроэнергетике. СД, работая без нагрузки на валу в режиме перевозбуждения, повышает cos φ сети, вырабатывая реактивную мощность для потребителей. Такой СД называют синхронным компенсатором.

Трансформаторы

Трансформатором называется статическое (т. е. без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное чаще всего для преобразования одного переменного напряжения в другое (или другие) напряжение той же частоты. Трансформатор имеет не менее двух обмоток с общим магнитным потоком, которые электрически изолированы друг от друга (за исключением автотрансформаторов).

Для усиления индуктивной связи и снижения влияния вихревых токов, в большинстве трансформаторов обмотки размещаются на магнитопроводе, собранном из листовой электротехнической стали (рис. 7.1). Магнитопровод отсутствует лишь в воздушных трансформаторах, которые применяются при частотах примерно свыше 20 кГц. При таких частотах магнитопровод все равно практически не намагничивается из-за значительного увеличения вихревых токов.

Обмотка трансформатора, присоединенная к источнику питания (сеть электроснабжения, генератор), называется первичной. Соответственно первичными именуются все величины, относящиеся к этой обмотке, — число витков, напряжение, ток и т. д. Буквенные обозначения их снабжаются индексом 1, например w₁, u₁, i₁ (рис. 7.1). Обмотка, к которой подключается приемник (потребитель электроэнергии), и относящиеся к ней величины называются вторичными (индекс 2).

Различают однофазные (для цепей однофазного тока) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансформаторы. У трехфазного трансформатора первичной или вторичной обмоткой принято называть соответственно совокупности трех фазных обмоток одного напряжения. На рис. 7.2 показаны основные условные графические обозначения однофазного (1, 2, 3) и трехфазного (4, 5, 6) трансформаторов.

На щитке трансформатора указываются его номинальные напряжения - высшее и низшее, в соответствии с чем следует различать обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН) трансформатора. Кроме того, на щитке должны быть указаны его номинальная полная мощность (В А или кВ А), токи (А) при номинальной полной мощности, частота, число фаз, схема соединений, режим работы (длительный или кратковременный) и способ охлаждения. В зависимости от способа охлаждения трансформаторы делят на сухие и масляные. В последнем случае выемная часть трансформатора погружается в стальной бак, заполненный маслом.

На рис. 7.3 показан трансформатор трехфазный масляный с трубчатым баком (в частичном разрезе). Где I - магнитопровод; 2 - обмотка НН в разрезе; ниже нее и на среднем стержне магнитопровода неразрезанные катушки обмотки ВН – 3; 4 - выводы обмотки ВН; 5 - выводы обмотки НН; 6 - трубчатый бак для масляного охлаж­дения; 7 - кран для заполнения маслом; 8 - выхлопная труба для газов; 9 - газовое реле; 10 - расширитель для масла; 11 - кран для спуска масла.

Рис. 7.1

Рис. 7.2

Рис. 7.3

Если первичное напряжение U₁ трансформатора меньше вторичного U₂, то он работает в режиме повышающего трансформатора, в противном случае (U₁ > U₂) - в режиме понижающего трансформатора.

Впервые с техническими целями трансформатор был применен П. Н. Яблочковым в 1876 г. для питания электрических свечей. Но особенно широко трансформаторы стали применяться после того, как М. О. Доливо-Добровольским была предложена трехфазная система передачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного трансформатора (1891 г.).

Рабочий процесс однофазного трансформатора практически такой же, как и одной фазы трехфазного трансформатора. Поэтому, чтобы облегчить изложение, сначала рассмотрим работу однофазного двухобмоточного трансформатора, а затем уже отметим особенности трехфазных трансформаторов.