3. Коэффициент полезного действия и потерь в машине- основные показатели ее энергоемкости

В период установившегося движения машины соблюдается условие равенства работ сил движущих и сил сопротивлений:

.

Работа сил сопротивления складывается из суммы работ сил полезного сопротивления   и сил вредного сопротивления  . Тогда

.

Разделим левую и правую части равенства на величину работы сил движущих:

и получим

где  – механический (цикловой) коэффициент полезного действия (кпд);   – коэффициент механических потерь.

Потери и коэффициент полезного действия

Полезная мощность машины меньше подведенной к ней мощности, так как часть потребляемой машиной энергии рассеивается, превращается в теплоту и не используется.

Мощность потерянной энергии называется потерями мощности или просто потерями.

Рассматриваемые в данной главе вопросы большей частью являются общими для машин постоянного и переменного тока.

8.1. Значение снижения потерь и повышения кпд

Во всякой машине потери в значительной степени влияют на ее экономичность. В электрических машинах, и в частности в машинах постоянного тока, это влияние потерь весьма своеобразно и заслуживает особого обсуждения.

Потери в электрических машинах относительно малы, что позволяет получить высокий коэффициент полезного действия

где Р₂ — полезная мощность; Р_{ — подводимая мощность; 2р — суммарная мощность потерь.

Коэффициент полезного действия в малых машинах т] = 0,7 ... 0,8; в машинах средней мощности ц = 0,85 ...0,92; в крупных машинах 0,94...0,97, в отдельных случаях т] = 0,985 (в мощных автотрансформаторах ц = 0,995). Казалось 6 л, что дальнейшее повышение КПД не имеет большого смысла: он настолько высок, что существенно сократить потери невозможно. Однако это не так. При столь высоких значениях КПД главная экономическая выгода от его повышения заключается не в экономии энергии, а в улучшении свойств машины: в снижении ее массы, повышении мощности и т. д.

Из формулы (8.1) суммарная мощность потерь

Мощность потерь является мощностью тепловой энергии, выделяющейся в машине, которую следует отводить от машины во избежание перегревания ее частей. Теплоотвод в крупных машинах превращается в трудноразрешимую проблему. Но и в большинстве других электрических машин допустимая нагрузка, т. е. мощность машины, определяется условиями ее нагревания.

Особенно наглядно влияние КПД и условий нагревания можно проследить на истории развития крупных турбогенераторов. Генератор с воздушным охлаждением мощностью 100 тыс. кВт при высоте 3 м и длине 10 м имел КПД tj = 0,97.

Благодаря применению водородного охлаждения уменьшились потери на трение ротора о воздух и КПД увеличился до значения г; = 0,978. Конечно, 0,8% сбереженной энергии тоже имеют значение, но вряд ли они смогли бы компенсировать усложнение конструкции, постройку установки для производства водорода и т. п. Главный эффект от повышения КПД заключался в том, что потери в генераторе, ранее составлявшие 1,р = Р₁(\—т|) = 100 000-0,03=3 МВт, сократились до 2р = 100000- (1—0,978) =2,2 МВт, т. е. почти в 1,5 раза. Это позволило после некоторой переделки машины получить генератор мощностью 150 тыс. кВт, т. е. мощность машины была увеличена ровно в 1,5 раза при тех же габаритах.

Если бы каким-либо образом удалось создать машину без потерь, то главным в этом достижении была бы не экономия 1 ...2% энергии, а возможность увеличения мощности до пределов, ограничиваемых только механической прочностью машины.

Поэтому борьба за повышение КПД и уменьшение потерь — основная задача конструктора машины. С каждым годом уточняются методы расчета потерь, улучшаются свойства материалов, применяемых в электромашиностроении, и изыскиваются все более удачные конструктивные решения.

Потери в машине делятся на следующие основные группы: потери в стали, в обмотках, в щеточном контакте и механические потери.