Потери мощности и КПД

Электрические машины служат для взаимного преобразования электрической и механической энергии. Любое преобразование неизбежно приводит к потерям энергии.

В машинах постоянного тока потери мощности происходят в магнитопроводе, в цепях якоря и возбуждения, в механике самой машины.

Потери в магнитопроводе любой электрической машины связаны с перемагничиванием материала. Эти потери пропорциональны частоте перемагничивания и максимальному значению индукции в степени близкой ко второй. Второй составляющей потерь в магнитопроводе, являются потери на вихревые токи. Они также пропорциональны частоте перемагничивания и максимальному значению индукции во второй степени. В двигателях постоянного тока потери возникают только в сердечнике якоря, т.к. только здесь магнитный поток изменяется во времени с частотой вращения. Магнитный поток в статоре постоянный и потери отсутствуют. В соответствии с этим, характер магнитных потерь у этих машин определяется характером их работы. Изменение скорости вращения и нагрузки будет приводить к изменению частоты магнитного потока в сердечнике якоря, а у машин последовательного возбуждения еще и к изменению индукции. Все это делает практически невозможным точное определение магнитных потерь расчетным путем.

Потери в цепи якоря состоят из потерь в сопротивлениях якоря , обмотки дополнительных полюсов и компенсационной обмотки (если они имеются), а также потерь в контактах щетки-коллектор. Падение напряжения между щетками и коллектором принимается постоянным и равным 1,5-2,0 В. Это связано с тем, что на поверхности коллектора при работе образуется сложная окисная пленка, обладающая нелинейной вольтамперной характеристикой, близкой к характеристике полупроводникового диода, смещенного в прямом направлении. Исходя из этого, потери в цепи якоря можно определить, как . Для двигателей последовательного возбуждения это выражение преобразуется к виду с учетом того, что обмотка возбуждения () включена в цепь якоря, а компенсационной обмотки у таких машин обычно не делают.

У машин параллельного возбуждения учитываются также потери в обмотке в виде .

Механические потери в машинах постоянного тока складываются из потерь трения щеток о коллектор, в подшипниках якоря и вентиляционных потерь.

Механические и магнитные потери при постоянной скорости вращения можно считать постоянными и определить в режиме холостого хода как , где - мощность, потребляемая цепью якоря в режиме холостого хода.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение полезной мощности к потребляемой , т.е.

, где - суммарные потери в машине.

У микромощных машин (до 100 Вт) КПД составляет 0,15-0,5 и повышается с ростом мощности, достигая значений 0,90-0,97 у машин мощностью свыше 100 кВт. Эти значения КПД соответствуют номинальной нагрузке. С изменением нагрузки КПД также будет изменяться. На рисунке приведена типичная зависимость КПД от коэффициента нагрузки . Здесь видно, что при малых нагрузках КПД резко уменьшается, поэтому слабо нагруженную машину невыгодно эксплуатировать.