§ 20.8. 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 = m1 I1 2 r1 (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 = Iв 2 rв + ΔUщ Iв (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 = (Iв 2 rв + ΔUщ Iв)/ 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:
Механические потери (Вт), равные сумме потерь на трение в подшипниках и потерь на вентиляцию (при самовентиляции машины),
Рмех ≈ 3,68р () 3
(20.41)
v2 = 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 = kп р bп l1 (10 -4 Z1 n1) 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); bр — ширина полюсного наконечника, мм; Z1 — число пазов на статоре;
Bδ — магнитная индукция в зазоре, Тл; kδ1 — коэффициент воздушного зазора статора; t1 — зубцовое деление статора, мм.
Добавочные потери при нагрузке Pдоб 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)
∑Р = (Рэ1 + Рв + Рм1 + Рмех + Рп + Рдоб)10 -3 (20 44)
Коэффициент полезного действия: для синхронного генератора
ηг = 1 — ∑Р / (Рном + ∑Р ) (20.45)
Рном = m1 U1ном I1ном cos φ110 -3 (20.46)
— активная мощность, отбираемая от генератора при его номинальной нагрузке, кВт;
для синхронного двигателя
ηд = 1 — ∑Р / Р1ном (20.47)
Здесь U1ном и I1ном — фазные значения напряжения и тока статора.
КПД синхронной машины зависит от величины нагрузки (β = Р2/ Рном) и от ее характера (соs φ1). 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 десятки и даже сотни тысяч киловатт.
Контрольные вопросы
1.Из каких участков состоит магнитная цепь явнополюсной синхронной машины?
2. В чем состоит явление реакции якоря?
3. Каково действие реакции якоря при активной, индуктивной и емкостной нагрузках синхронного генератора?
4. Какие ЭДС наводят в обмотке статора явнополюсного синхронного генератора магнитные потоки реакции якоря и каким индуктивным сопротивлениям эти ЭДС эквивалентны?
5. Почему характеристика к.з. синхронной машины имеет вид прямой линии?
6. Что такое ОКЗ и как влияет этот параметр на свойства синхронного генератора?
7. Что такое номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки и почему при емкостной нагрузке его величина отрицательна?.
8. Определите изменение напряжения при сбросе нагрузки для примера 20.2, если генератор работал с нагрузкой, равной половине номинальной.
9.Какие виды потерь имеют место в синхронной машине?
7.11 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 слагаются, в свою очередь, из электрических потерь в обмотке статора, потерь на возбуждение, магнитных и механических потерь.
Электрические потери в обмотке статора определяются
,
где r1 – активное сопротивление одной фазы обмотки статора.
Потери на возбуждение зависят от типа возбудителя и определяются как:
,
где =2 В – падение напряжения в щеточном контакте.
Магнитные потери происходят в сердечнике статора, который подвергается перемагничиванию вращающимся магнитным полем. Эти потери состоят из потерь на гистерезис и потерь от вихревых токов:
Механические потери равны сумме потерь на трение в подшипниках и вентиляцию.
Добавочные потери в синхронных машинах делятся на два вида: пульсационные потери в полюсных наконечниках ротора и потери при нагрузке. Добавочные пульсационные потери Рп в полюсных наконечниках вызваны пульсацией магнитной индукции в зазоре из-за зубчатости внутренней поверхности статора. Добавочные потери при нагрузке Рдоб определяются в процентах (≈0,5%) от подводимой мощности двигателей или от полезной мощности генераторов.
Суммарные потери в синхронной машине
.
Коэффициент полезного действия для синхронного генератора
,
где Рном – активная мощность, отбираемая от генератора при его номинальной нагрузке.
Коэффициент полезного действия для синхронного двигателя
.
7.12 Пуск трехфазного синхронного двигателя
Если обмотка возбуждения неподвижного ротора синхронного двигателя подключена к источнику постоянного тока, то она создает основной магнитный поток, который определяет полярность полюсов ротора (рисунок 7.7). При включении обмотки статора его трехфазная система токов создает вращающийся магнитный поток, частота вращения которого определяется формулой 7.11. При числе пар полюсов р=1 и f=50 Гц частота вращения будет равна n=3000 об/мин. При такой частоте вращения каждую 0,01с меняется полярность статора по осевой линии неподвижного ротора, сила притяжения сменяется силой отталкивания, средний вращающий момент равен нулю и ротор не успеет тронуться с места. Отсутствие пускового момента является большим недостатком синхронных двигателей.
Основными способами пуска в ход синхронных двигателей являются асинхронный пуск и пуск с помощью разгонного двигателя.
Для осуществления асинхронного пуска на роторе синхронного двигателя располагают специальную пусковую обмотку, которая является короткозамкнутой. При подключении обмотки статора к сети создается вращающийся магнитный поток статора. Короткозамкнутая обмотка ротора в результате взаимодействия с вращающимся потоком статора создает асинхронный вращающийся момент, под действием которого ротор трогается с места и разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной частоте. После этого обмотку возбуждения переключают на источник постоянного тока, и полюсы ротора приобретают собственную полярность.
Рисунок 7.7 – Основной магнитный поток синхронного двигателя
При незначительном различии в частотах вращения полюсов статора и ротора разноименные полюсы притягиваются друг к другу, а одноименные – отталкиваются. В результате ротор получает ускорение и после нескольких качаний ротора его частота вращения достигает синхронной и двигатель «втягивается в синхронизм».
Пуск с помощью разгонного двигателя осуществляют только при холостом ходе двигателя. При этом его ротор приводят во вращение разгонным двигателем (асинхронным или постоянного тока). Мощность разгонного двигателя небольшая, необходимая для вращения ротора синхронного двигателя.
С помощью синхроскопа проверяют выполнение условий параллельной работы синхронных машин, и когда они выполнены, статор синхронного двигателя подключают к сети. После этого разгонный двигатель отключают, а синхронный – вращается с синхронной частотой.
Синхронные машины. Потери и КПД
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
6.
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.
7.
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
Пульсационные
потери
Потери
при
нагрузке
9.
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.
10.
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,
12.
КПД синхронной машины зависит от величины
нагрузки( β=Р2/Рном) и от её характера (cosφ1).
13.
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.
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.
Другие статьи по теме:
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика