Потери и кпд синхронных машин кратко

Обновлено: 05.07.2024

1. Электрические потери в обмотке
статора:
Рэ1 = m1I12r1 [Вт],
где r1 – активное сопротивление одной фазы
обмотки статора при расчетной рабочей
температуре, Ом;
Электрические
потери
обусловлены
нагревом обмоток статора.
Эти потери преобладают в гидрогенераторах.

5. 2. Потери на возбуждение

2.1 при возбуждении от отдельного
возбудительного устройства
Рв = Iв2rв + ∆UщIв [Вт],
где rв - активное сопротивление обмотки
возбуждения
при
расчетной
рабочей
температуре, Ом;
∆Uщ = 2 В – падение напряжения в щеточном
контакте щеток.
Потери на возбуждение в основном
обусловлены
нагревом
в
обмотке
возбуждения

2.2
при возбуждении от генератора
постоянного
тока
(возбудителя),
сочлененного с валом синхронной машины
Рв = (Iв2rв + ∆UщIв )/ηв [Вт],
где ηв = 0,80 ± 0,85 – кпд возбудителя.
3. Магнитные потери в СМ происходят в
сердечнике статора, который подвержен
перемагничиванию вращающимся магнитным
полем.
Рм=Рг + Рв.т. [Вт],
где Рг – потери от гистерезиса,
Рв.т. – потери от вихревых токов.

4. Механические потери Рмex: это потери на
трение вращающихся частей о воздух, на
трение
в
подшипниках,
а
также
вентиляционные.
Рмех ≈ 3,68p(υ2/40)3√103L1
[Вт],
где
υ2= π(D1 - 2δ)n1/60 [мм] – окружная
скорость
на
поверхности
полюсного
сердечника статора.
Эти потери являются преобладающими в
быстроходных машинах – в турбогенераторах;
Существенное снижение механических потерь
в мощных турбогенераторах было достигнуто
применением для их охлаждения водорода
вместо воздуха. Плотность водорода в 14,5
раза меньше, чем воздуха, поэтому при
вращении ротора в водороде потери от трения
во много раз уменьшаются.

8. Добавочные потери

Добавочные пульсационные потери Рп
в
полюсных
наконечниках
ротора
обусловлены
пульсацией
магнитной
индукции в зазоре из-за зубчатости
внутренней поверхности статора. Эти
потери прямо пропорционально зависят от
толщины листов полюсов ротора, ширины
полюсного наконечника, числа пазов на
статоре, зубцовом делении статора.
2. Добавочные потери при нагрузке Рдоб
в СМ определяют в процентах от
подводимой мощности двигателей или от
полезной мощности генераторов. Для СМ
Рном 1000 кВт Рдоб 0,5%, для СМ Рном
1000кВт Рдоб 0,25 0,4 %.
1.

Для синхронных машин номинальной мощностью
до 1000 кВт
Рдоб ≈ 0,5%,
Для синхронных машин номинальной мощностью
свыше 1000 кВт
Рдоб = 0,25 ÷ 0,4 %.
Суммарные потери в синхронной машине:
ΣР = (Рэл + Рв + Рм1 + Рмех + Рп +Рдоб) 10-3, [кВт]

11. Коэффициент полезного действия

КПД для синхронного генератора:
ηг = 1-ΣР/(Рном +ΣР),
где
Рном = m1U1номI1номcosφ1 10-3 – активная
мощность, отбираемая от генератора при его
номинальной нагрузке, [кВт].
U1ном – фазное значение напряжения,
I1ном – фазное значение тока.
КПД для синхронного двигателя:
ηг = 1-ΣР/Р1ном,

КПД синхронных машин мощностью до 100
кВт составляет 80-90%, у более мощных
машин КПД достигает 92 – 99%. Более
высокие КПД относятся к турбо и
гидрогенераторам мощностью в десятки и
сотни тысяч киловатт.

Преобразование энергии в синхронных машинах связано с её потерями. Все виды потерь разделяют на основные и добавочные:

1) Основные потери Pо – это электрические потери в обмотке статора Pэ1, потери на возбуждение Pв, магнитные потери Pм1 и механические потери Pмех:

Pо = Pэ1+Pв+Pм+Pмех.

Электрические потери обусловлены нагревом обмоток статора,

Pэ1 = m1×I²1×r1,

где m1 – число ваз статора, I1 – ток статора, r1 – активное сопротивление фазы обмотки статора при рабочей температуре 75?С.

Потери на возбуждение в основном обусловлены нагревом в обмотке возбуждения,

Pв = (I²в×rв)+(ΔUщ×Iв),

где Iв – ток возбуждения, rв – активное сопротивление цепи возбуждения, ΔUщ – падение напряжения в щёточном контакте (≈2 В).

Магнитные потери это потери в сердечнике статора на перемагничивание,

Pм1 = Pг+Pв.т.,

где Pг – потери на гистерезис, Pв.т. – потери на вихревые токи.

Механические потери это потери на трение в подшипниках, трение о воздух или другой охлаждающий газ и трение щёток о контактные кольца,

где v2 – окружная скорость на поверхности полюсного наконечника ротора, l1 – конструктивная длина сердечника статора.

2) Добавочные потери Pд – это потери в поверхностном слое ротора, вызванные пульсациями поля вследствие зубчатой поверхности статора и ротора Pп и потери, вызванные полями рассеивания Pр,

Pд = Pп+Pр.

Добавочные потери Pд в синхронных машинах при нагрузке определяют в процентах от подводимой мощности двигателей или от полезной мощности генераторов. Для машин мощностью до 1000 кВт Pд = 0,5%, а для машин мощностью более 1000 кВт – (0,25÷0,4)%.

Следовательно, суммарные потери в синхронной машине ∑P (кВт):

∑P = (Pо+Pд)/1000.

КПД синхронного генератора ηг:

ηг = 1-∑P/(Pн+∑P),

где Pн – активная мощность, отбираемая от генератора в сеть или отбираемая двигателем от сети (кВт), Pн = (m1×U1н×I1н× cos φ1)/1000.

КПД синхронного двигателя ηд:

ηд = 1-∑P/Pн.

КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки, которая определяется коэффициентом нагрузки β, который определяется отношением отдаваемой или отбираемой машиной мощности P к номинальной мощности машины Pн (β = P/Pн) и от её характера (cos φ1). КПД синхронных машин мощностью до100кВт составляет (80÷90)%, у более мощных машин – (92÷99)%. Турбо- и гидрогенераторы мощностью в десятки и сотни тысяч киловатт имеют более высокие значения КПД.

Тема 3.2. Синхронные генераторы

Pо = Pэ1+Pв+Pм+Pмех.

Электрические потери обусловлены нагревом обмоток статора,

Pэ1 = m1×I²1×r1,

Потери на возбуждение в основном обусловлены нагревом в обмотке возбуждения,

Pв = (I²в×rв)+(ΔUщ×Iв),

Магнитные потери это потери в сердечнике статора на перемагничивание,

Pм1 = Pг+Pв.т.,

где Pг – потери на гистерезис, Pв.т. – потери на вихревые токи.

Pд = Pп+Pр.

Следовательно, суммарные потери в синхронной машине ∑P (кВт):

∑P = (Pо+Pд)/1000.

КПД синхронного генератора ηг:

ηг = 1-∑P/(Pн+∑P),

КПД синхронного двигателя ηд:

ηд = 1-∑P/Pн.

Синхронные машины являются машинами переменного тока. В большинстве случаев они трехфазные. Они могут работать в режиме генератора или двигателя. Также есть и третий режим работы – компенсации реактивной мощности. Несмотря на то, что электрические синхронные машины могут быть обратимыми, то есть работать как в режиме генератора, так и двигателя, они редко могут так использоваться из-за особенностей конструкции.

Назначение синхронных машин

Синхронные машины применяются в качестве генераторов или двигателей. В качестве генераторов они производят энергию трехфазного тока. Большинство генераторов, установленных на электростанциях, являются синхронными. Их мощность может существенно варьироваться – от нескольких киловольт-ампер и до сотни тысяч киловольт-ампер. Что касается синхронных моторов, то их применяют в подавляющем большинстве для мощных электроприводов. Если необходимо генерирование/потребление реактивной мощности для улучшения/регулирования показателей мощности в сети используют синхронные компенсаторы.

Устройство синхронных машин

Устройство трехфазной синхронной машины или электродвигателя имеют практически одинаковую конструкцию. Они все имеют:

неподвижную часть – статор;
подвижную часть – ротор;
обмотку якоря;
обмотку возбудителя;
вал;
подшипники.

Все это находится в цилиндрическом корпусе. Конструкция синхронной машины может иметь прямое и обратное исполнение. Прямое: обмотка возбуждения находится на роторе, рабочая – на статоре. Обратное: обмотка возбуждения находится на статоре, рабочая – на роторе.

Потери и КПД синхронных машин

КПД синхронных машин напрямую зависит от размера нагрузки. Как правило, КПД машин мощностью до 100 кВт – 80-90%. Чем выше мощность машин, тем больше КПД. Что касается потерь, то они неизбежны, ведь в машине происходит преобразование энергии. Все потери условно можно разделить на два вида:

Первые происходят в обмотке статора, в процессе возбуждения, при магнитных и механических процессах. Что касается дополнительных потерь, то они обоснованы появлением пульсации поля из-за зубчатой поверхности статора и ротора.

Область применения синхронных машин

Сфера применения синхронных машин, а именно электродвигателей, связана с их особенностями. Самыми важными характеристиками синхронных машин, которые и есть их особенностями, являются:

стабильность частоты вращения;
возможность работы с высокими мощностями.

Благодаря первой характеристике они являются незаменимыми во многих обрабатывающих станках, где синхронные машины применяются в качестве приводных. Они часто используются для привода мощных насосных станций, компрессоров и вентиляционных систем.

Благодаря второй особенности они часто используются в качестве источника реактивной энергии, за счет чего обеспечивается нужное напряжение и его регулировка в сети.

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)

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

Потери на возбуждение (Вт):

а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройства

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,

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.:

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

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)

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)

Коэффициент полезного действия:

для синхронного генератора

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

для синхронного двигателя

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.

Электрические потери в обмотке статора (Вт)

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

Потери на возбуждение (Вт):

а) при возбуждении от отдельного возбудительного устройства

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

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

Коэффициент полезного действия:

для синхронного генератора

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

для синхронного двигателя

Рис. 6.10 Зависимость cosφ и I₁ от тока возбуждения I_в

При изменении I_в I₁ меняется по амплитуде и фазе.

Трансформаторы

Рис. 7.1

Рис. 7.2

Рис. 7.3

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Потери и коэффициент полезного действия синхронных генераторов

Синхронные машины используется чаще всего как генераторы для производства электрической энергии переменного тока на электрических станциях, но в то же время они имеют широкое применение и как двигатели, а также как синхронные компенсаторы, представляющий собой по существу синхронные двигатели, работающие в режиме холостого хода.

Синхронные генераторы чаще всего приводятся во вращение паровыми и гидравлическими турбинами. В первом случае синхронный генератор называется турбогенератором, а во втором — гидрогенератором.

Паровые турбины принадлежат к числу быстроходных машин, соответственно чему турбогенераторы имеют неявнополюсное исполнение. Наоборот, гидрогенераторы имеют явнополюсное исполнение, так как гидравлические турбины принадлежат к числу тихоходных машин.

Все потери, возникающие в синхронной машине, можно разделить на две группы:

К основным относятся потери, которые возникают в результате проявления основных электромагнитных и механических процессов работы машины.

Такими потерями являются: основные потери в меди статорной обмотки и в меди обмотки возбуждения, потери в активной стали статора, потери на трение в подшипниках и щетках контактных колец и вентиляционные потери.

К добавочным относятся потери, которые возникают в результате проявления вторичных процессов электромагнитного характера. Некоторые из них имеют место при холостом ходе машины, другие возникают при нагрузке. Соответственно этому различают:

добавочные потери холостого хода,
добавочные потери короткого замыкания.

Причинами возникновения добавочных потерь являются:

потоки рассеяния статора,
высшие гармонические составляющие напряжения статора и ротора,
потери, обусловливаемые зубчатостью статора и ротора.

Генератор на электростанции

Основной причиной возникновения добавочных потерь являются потоки рассеяния статора. Они создают добавочные потери:

в пазовой и лобовой частях обмотки статора ,
во всех металлических частях, куда проникает поток рассеяния,— щитах, нажимных плитах, бандажах и т. д.

Высшие гармонические составляющие напряжения создают добавочные потери на поверхности статора и ротора, перемещаясь относительно них с разными скоростями. Так как эти потери не проникают сколько-нибудь глубоко в металлические части из-за экранирующего действия вихревых токов, то их называют поверхностными.

Зубцовые гармонические магнитного поля вызывают частью поверхностные потери на поверхности статора и ротора вследствие поперечных колебаний потока, а частью — пульсационные потери вследствие продольных колебаний потока в зубце. Пульсационные потери по сравнению с поверхностными обычно невелики.

Средствами, с помощью которых удается уменьшить добавочные потери, являются:

деление проводников обмотки статора по высоте паза па ряд элементарных проводников и транспозиция их в активной и иногда в лобовой части обмотки;
выполнение обмотки с соответственным укорочением шага и конусным расположением лобовых частей;
выполнение нажимных плит, бандажей и т. д. из немагнитной стали;
рифление ротора в турбогенераторах.

Коэффициент полезного действия (К. п. д.) синхронного генератора вычисляется по формуле:

где P - полезная мощность, а сумма (p) - сумма всех потерь.

Коэффициент полезного действия (К. п. д.) турбогенераторов с воздушным охлаждением, работающих при полной нагрузке и коэффициенте мощности - 0,8, составляет 92—95% в турбогенераторах мощностью 0,5—3 М В т и 95—98,8% в турбогенераторах мощностью 3,5—300 М В т.

При водородном охлаждении коэффициент полезного действия турбогенератора повышается при полной нагрузке примерно на 0,8%.

Гидрогенераторы имеют практически такой же коэффициент полезного действия, как и турбогенераторы.

Читайте также: