5.3.8. Определение коэффициента полезного действия

Коэффициент полезного действия электрической машины есть отношение отдаваемой машиной активной мощности Р₂ к подводимой к машине активной мощности Р₁; КПД обычно выражается в процентах:

П = 100 Р₂/Р„ или в долях единицы:

_Л = Р₂/Р₁.                                                                                                                                                                                                                                  (5.1)

Электрическая мощность, подводимая к двигателю, и электрическая мощность, отдаваемая в сеть генератором, измеряется непосредственно с помощью ваттметров. Измерение механической мощности, отдаваемой двигателем и подводимой к генератору, встречает затруднение и требует специальных устройств. Это усложняет определение КПД электрических машин.

Подводимая и отдаваемая мощности электрической машины различаются на сумму потерь в ней, которые возникают в процессе взаимного преобразования электрической и механической энергий Р₂ = Р_у — £Р. Исходя из этого, выражение для КПД может быть записано в иной форме:

для двигателей

ti = 1-£P/P_i;                                                                                                                                                                        (5.2а)

для генераторов

Л = 1-1Р/(Р₂ + ХР). (5.26)

Соответственно двум формам записи (5.1) и (5.2) существуют две группы методов определения КПД: методы непосредственного определения, т.е. прямого и одновременного измерения Р, и Р₂ испытуемой машины, и методы косвенного определения КПД, при которых измеряются только потери в машине. Сумма потерь £ Р относится к электрической мощности, потребляемой двигателем или отдаваемой в сеть генератором.

Методы непосредственного определения КПД. Стандартами предусмотрены три метода непосредственного определения КПД.

Метод измерения электрических мощностей применяется для определения КПД преобразовательных агрегатов, состоящих из двигателя и одного или нескольких генераторов, выпускаемых комплектно. Электрические активные мощности измеряются на входе двигателя и на выходе генератора (или генераторов). Разность измеренных мощностей равна суммарным потерям в агрегате, отношение мощностей - КПД агрегата или, что то же самое, произведению КПД всех машин, входящих в агрегат.

Метод торможения применяется в основном для определения КПД двигателей. Торможение осуществляется механическим или иным тормозом с измерителем момента. Отдаваемая двигателем механическая мощность (мощность на валу двигателя) определяется как произведение вращающего момента на частоту вращения. Потребляемая двигателем активная электрическая мощность из сети измеряется ваттметром.

Метод нагрузки может быть использован как для двигателей, так и для генераторов. В качестве нагрузки испытуемого двигателя используется тарированный генератор, отдающий энергию на специальное нагрузочное устройство или в сеть. В опытах измеряется электрическая активная мощность, подводимая к двигателю, Р{_Д и электрическая активная мощность, отдаваемая тарированным генератором, Р-^. Коэффициент полезного действия испытуемого двигателя т|д определяется с учетом КПД тарированного генератора г|_т:

Лд = Р2т/(Лт^1д)-

Для определения КПД генератора используют тарированный двигатель. Коэффициент полезного действия испытуемого генератора г)_г определяют по отношению мощностей отдаваемой генератором Р-^ и подводимой к тарированному двигателю Pi_T с учетом его КПД:

Лг = Р2г/(П1т^1т)-

Методы непосредственного определения КПД уступают косвенным методам как по сложности измерений, так и по точности. Это объясняется несколькими причинами, из которых основными являются следующие:

сложность создания и измерения тормозного момента на валу испытуемого двигателя или вращающего момента на валу испытуемого генератора. При испытаниях машин большой мощности эта задача становится неразрешимой в условиях обычной испытательной станции предприятия;

необходимость обеспечения при проведении измерений того же теплового состояния испытуемой машины, что и в режиме работы, для которого определяется КПД. Несоблюдение этого условия приводит к большой погрешности определения КПД из-за изменения потерь в испытуемой машине, зависящих от температуры.

В связи с этим стандарты разрешают применять методы непосредственного определения КПД только для машин, имеющих гарантированные значения КПД меньше 85%. Для машин с большими значениями КПД его определение должно производиться косвенными методами.

Косвенные методы определения КПД. Из группы методов косвенного определения КПД основным является метод раздельного определения потерь. Каждый вид потерь определяется или рассчитывается по данным соответствующих опытов проводимых в определенных режимах.

Основные и добавочные потери в стали определяются из опыта холостого хода для напряжения, соответствующего рабочему режиму, а для машин постоянного тока с номинальным напряжением меньшим 100 В — с учетом падения напряжения на всех элементах последовательной цепи якоря. При этом все сопротивления элементов последовательной цепи приводятся к расчетной температуре.

Механические потери, включающие потери на трение в опорах, скользящих контактах и на всех поверхностях, омываемых охлаждаемыми средами, также определяются методом разделения потерь из опыта холостого хода.

Электрические потери в рабочих обмотках и обмотках возбуждения определяются по рабочему току в этих обмотках и их сопротивлениям, приведенным к расчетной температуре.

Электрические потери в скользящих контактах рассчитываются как произведение токов через контакты на переходное падение напряжения под щетками, которое считается не зависящим от тока.

Добавочные потери при нагрузке учитываются в процентах подводимой мощности для двигателей и отдаваемой мощности для генераторов при их номинальной нагрузке. Добавочные потери для компенсированных машин постоянного тока, синхронных машин мощностью до 100 кВ • А и асинхронных бесколлекторных машин принимаются в расчетах равными 0,5% номинальной мощности; для некомпенсированных машин постоянного тока — 1 %; для коллекторных

машин переменного тока — также 1 %, если для них соответствующими документами не предусмотрены иные значения. При мощности, отличающейся от номинальной, значения добавочных потерь пересчитываются пропорционально квадрату тока рабочей цепи.

Для синхронных машин мощностью более 100 кВ-А при определении КПД добавочные потери не рассчитывают. Их получают экспериментально в сумме с основными электрическими потерями в обмотке статора.

Для двигателей постоянного тока с широким регулированием частоты вращения рассчитанные добавочные потери увеличивают, умножая на следующие коэффициенты, зависящие от частоты вращения, для которой рассчитывается КПД:

Отношение частоты вращения к номинальной 1,5 2,0 3,0 4,0

Коэффициент увеличения добавочных потерь 1,4 1,7 2,5 3,2

При испытаниях синхронных компенсаторов определяют сумму потерь и относят ее к полной мощности машины, так как понятие КПД для них не имеет смысла.

Более детально методы определения КПД и отдельных видов потерь изложены в ГОСТ 25492-83 (см. табл. 5.1).