2.3 Методи визначення коефіцієнта корисної дії

 

Коефіцієнт корисної дії (efficiency) (ККД) електричної машини визначається відношенням корисної потужності до підведеної та виражається у відсотках:

,                                                      (2.10)

або

,                               (2.11)

 

де  – потужність, яка підводиться до електричної мережі;

     – корисна потужність (operating power; useful power) електричної машини;

 – сумарні втрати в електричній машині, які дорівнюють .

Оскільки під час випробувань завжди контролюється електрична потужність, то перший вираз у формулі (2.11) використовується для визначення ККД двигунів, а другий – ККД генераторів.

Машина під час визначення ККД не повинна мати вібрацій, недопустимих шумів; її підшипники, підп’ятники, колектор (або контактні кільця) і щітки повинні бути припрацьовані, а температура всіх частин машини дорівнювати робочій. Температура охолоджувального середовища не повинна перевищувати граничних значень, які встановлено стандартами. Для визначення ККД електричної машини використовують два методи: безпосередній та непрямий.Безпосередній метод визначення ККД із використанням формули (2.10) застосовується, як правило, для машин з ККД не більшим 85%.У цьому випадку ККД визначають такими способами:

– спосіб вимірювання потужності (спосіб “двигун-генератор”), за використання якого потужність, яка підводиться та віддається, визначається за допомогою електровимірювальних приладів;

– спосіб гальмування, під час якого обертовий момент, що розвивається двигуном, та відповідну йому потужність, яка віддається, визначають за допомогою пристрою гальмування, а електричну потужність, яка підводиться, – за допомогою електровимірювальних приладів;

– спосіб навантаження (спосіб тарованої машини), під час якого електрична потужність, що споживається двигуном (видається генератором), визначається за допомогою електровимірювальних приладів, а механічна потужність двигуна, яка віддається (потужність генератора, що споживається), вимірюється за допомогою тарованої машини, потужність якої повинна бути сумірна з потужністю випробуваної машини. Тарованою машиною вважається електрична машина з відомими витратами в будь-якому режимі роботи.

Непрямий метод визначення ККД із використанням формули (2.11) застосовується для машин з ККД більшим 85%. Він базується на вимірюванні таких втрат потужності в електричній машині:

 – втрати потужності в сталі;

 – механічні втрати;

 – основні втрати потужності в колах робочих обмоток машини;

 – втрати потужності в перехідних контактах щіток, на збудження та додаткові (втрати, які не враховано в інших випадках).

Сумарні складові основних втрат у колах робочих машин, втрати в перехідних контактах щіток та втрати на збудження визначаються шляхом розрахунків, а втрати в сталі (core loss; iron loss) та механічні втрати – дослідним шляхом.

Щодо додаткових втрат, то для синхронних машин потужністю більше 100 кВА їх рекомендують визначати дослідним шляхом, а для інших машин – розрахунковим. В останньому випадку вони приймаються рівними 1% від потужності, яка віддається некомпенсованими генераторами постійного струму або 1% від потужності, яка підводиться до некомпенсованих двигунів постійного струму та колекторних двигунів змінного струму. Для інших машин додаткові втрати приймаються рівними 0,5% від потужності, виробленої генераторами або спожитої двигунами.

Основні втрати в обмотці якоря машини постійного струму, у послідовно з’єднаних з нею інших обмотках (послідовній обмотці збудження, обмотці додаткових полюсів та компенсаційній обмотці), а також основні втрати в обмотці якоря синхронної машини потужністю до 100 кВА та в обмотці статора асинхронної машини розраховуються за формулою:

 

,                                          (2.12)

 

         де  – електричні втрати у вказаних обмотках, Вт;

          – кількість фаз обмотки;

          – робочий струм фази, А;

          – опір обмотки фази на постійному струмі відносно розрахункової робочої температури, Ом.

Розрахункова робоча температура обмотки приймається рівною:

– 75°С – для обмоток, гранично допустимі перевищення температури яких відповідають класам нагрівостійкості А, Е, В;

– 115°С – для обмоток, гранично допустимі перевищення температури яких відповідають класам нагрівостійкості F, H.

Основні втрати в обмотці ротора  асинхронної машини визначають через електромагнітну потужність  та ковзання s (slip, slipping):

;                                      (2.13)

.                                               (2.14)

 

В формулі (2.13) знак “–“ відповідає режиму двигуна асинхронної машини, а знак “+” – генераторному, причому асинхронна машина (asynchronous machine) в режимі двигуна споживає потужність , а в генераторному цю потужність віддає.

Втрати в паралельних обмотках збудження розраховують за струмом та напругою збудження. В машині зі збудженням від незалежного джерела втрати на збудження визначаються за струмом збудження та опором обмотки збудження на постійному струмі, який зведено до розрахункової робочої температури. У випадку збудження від електромашинного збуджувача враховуються втрати в збуджувачі та усіх пристроях, які входять в його комплект, за виключенням механічних втрат.

Втрати в перехідних контактах щіток кожної полярності розраховують за струмом та за перехідним спадом напруги, яка приймається рівною:

– 1 В – для вугільних (carbon(-baked) brush) та графітових щіток (graphite brush);

– 0,3 В – для металовугільних та металографітових щіток.

Для експериментального визначення втрат потужності в сталі та механічних втрат (а також додаткових втрат синхронних машин потужністю більше 100 кВ×А) можна використовувати способи обертання в режимі ненавантаженого двигуна, тарованої машини, самогальмування та калориметричний (calorimetric method).

Вказані способи використовуються за усталеного теплового стану частин машини, яка випробовується.

Спосіб обертання в режимі ненавантаженого двигуна використовується для машин усіх типів, які допускають обертання в режимі холостого ходу під час живлення від джерела напруги.

Машина, що випробовується, обертається в режимі холостого ходу з номінальною частотою та напругою, яка змінюється від значення, з якого проводиться випробування міжвиткової ізоляції на електричну міцність, до найменшого значення, яке забезпечує стійке обертання з цією частотою.

Постійність частоти обертання досягається підтриманням незмінної частоти прикладеної напруги в машинах змінного струму та регулюванням струму збудження в машинах постійного струму. Збудження синхронних машин та машин постійного струму за будь-якої системи збудження здійснюється від незалежного джерела. Для машин постійного струму вимірюють прикладену напругу, струм і частоту обертання, а для машин змінного струму, крім того, частоту мережі та активну потужність, яка підводиться.

Суму втрат потужності в сталі та механічних втрат визначають відніманням від виміряної підведеної потужності основних втрат, які створюються в обмотках робочого кола машин, і втрат в перехідних контактах щіток. Основні втрати розраховують за опором обмоток одразу після закінчення досліду.

Спосіб тарованого двигуна використовується для синхронних машин та машин постійного струму. Машину, яка випробовується, приводять в обертання з номінальною частотою тарованим двигуном та збуджують від незалежного джерела. Для визначення втрат в сталі та механічних втрат напругу на виводах обмотки розімкненого якоря машини змінюють регулюванням струму збудження від найбільшої напруги, яка відповідає випробуванням міжвиткової ізоляції, до напруги, яка відповідає залишковому намагнічуванню за розімкненої обмотки збудження. Одночасно вимірюють потужність, яка підводиться до тарованого двигуна, і усі величини, які необхідні для визначення втрат в ньому.

Суму механічних втрат і втрат потужності в сталі машини, яка випробовується, розраховують як різницю підведеної потужності та втрат в тарованому двигуні.

Даний спосіб використовується для визначення суми основних втрат в обмотці якоря та додаткових втрат синхронних машин потужністю більше 100 кВ×А.

Спосіб самогальмування використовується для машин постійного струму та асинхронних машин, які мають значний момент інерції (moment of inertia) ротора. Для визначення втрат частоту обертання машини доводять до значення, яке дещо перевищує номінальне, після цього джерело енергії вимикають. В ході випробувань машин постійного струму проводять два досліди: самогальмування без збудження та самогальмування на холостому ході й струмі збудження, якому відповідає номінальна напруга на виводах розімкненої обмотки якоря за номінальної частоти обертання.

Для синхронних машин потужністю більше 100 кВ×А додатково проводять третій дослід – самогальмування для симетричного КЗ на виводах обмотки якоря та номінального струму в цій обмотці (збудження машини здійснюється від окремого джерела постійного струму).

Діапазон зміни частоти обертання в досліді складає (110¸90)% від номінальної, а в деяких випадках може бути зменшений до (105¸95)%. Під час досліду записується зміна частоти обертання n в функції часу, а також контролюються покази електровимірювальних приладів (в колі якоря машини) в момент проходження номінальної частоти обертання. Розрахунок втрат виконується за осцилограмою n(t) з використанням формули:

 

,                                           (2.15)

 

         де P – втрати в машині, які викликають її гальмування, Вт;

         J – момент інерції ротора (або роторів, у випадку використання для розгону допоміжного двигуна), значення якого відоме, кг×м2;

 – номінальна частота обертання машини, 1/с;

 – сповільнення ротора в точці , 1/с2.

У випаду використання допоміжного двигуна повинні бути відомі його механічні втрати та момент інерції ротора.

З першого досліду за формулою (2.15) визначають механічні втрати , з другого – схему механічних втрат та втрат потужності у сталі , з третього – суму механічних та додаткових втрат, а також втрат в обмотці якоря  (втрати потужності в сталі внаслідок малої величини робочого потоку в режимі КЗ можна не враховувати).

Калориметричний спосіб більш трудомісткий, ніж спосіб самогальмування, оскільки він дає правильні результати для усталеного теплового процесу, час досягнення якого може бути дуже значним. Суть методу полягає у вимірюванні втрат (газ, масло, вода). Для визначення втрат, вимірюють втрати в охолоджувальних середовищах та підвищення їх температури після проходження через машину, яка знаходиться в практично усталеному тепловому стані або порівнянням нагріву охолоджувальних середовищ під час проходження через машину та через пристрій, в якому виділяється аналогічна потужність (якщо конструкція машини не допускає вимірювання втрат охолоджувальних середовищ).

Сумарні втрати розраховуються за формулою:

 

,                                      (2.16)

 

         де  – витрати і-го охолоджуючого середовища, м3/с;

          – об’ємна теплоємність середовища, Дж/(м3×К);

 – різниця температур середовища на виході та вході машини, К.

Під час застосування калориметричного способу проводять три досліди з номінальною частотою обертання:

- з недозбудженою машиною – для визначення механічних втрат;

- з розімкненою обмоткою якоря та номінальною напругою на ній – для визначення суми втрат в сталі, механічних втрат та втрат на збудження для струму збудження холостого ходу;

- з замкненою накоротко обмоткою якоря з номінальним струмом якоря – для визначення суми механічних втрат, основних втрат в обмотці якоря, додаткових втрат та втрат на збудження для струму збудження короткого замикання.

Останній дослід проводять для визначення основних втрат в обмотці якоря та додаткових втрат в синхронних машинах потужністю більше 100 кВ×А. Втрати в кожному досліді розраховуються за формулою (2.16).

Під час розрахунку ККД синхронних машин і машин постійного струму, отримані дослідним шляхом втрати в сталі та механічні втрати не потрібно розділяти, а для асинхронних машин – потрібно.

Для визначення втрат потужності в сталі та механічних втрат в асинхронних двигунах можуть бути використанні два способи: калориметричний та спосіб обертання в режимі ненавантаженого двигуна.

Під час використання калориметричного способу визначають механічні втрати  й суму втрат в сталі , механічні та електричні втрати в обмотці статора. Електричні втрати  за відомих значень струму, активного опору й температури обмотки статора (з досліду) визначають розрахунковим шляхом за формулою (2.12). Визначивши  та суму , розраховують втрати в сталі .

Під час використання способу обертання в режимі ненавантаженого двигуна дослід проводять для декількох значень прикладеної напруги. В результаті отримують залежність , де  – сума механічних втрат, втрат в сталі та електричних втрат в обмотці статора. Віднімаючи від  електричні втрати (за відомого значення струму  та опору обмотки статора), отримують залежність , як показано на рисунку 2.4.

Оскільки дослід повинен проводитись з постійною частотою обертання, механічні втрати під час досліду повинні залишитись постійними. Втрати в сталі залежать від квадрата прикладеної напруги. Отже, якщо будувати залежність , то вона повинна бути прямолінійною (дивись рисунок 2.4) і відсікати на осі ординат відрізок, який кількісно дорівнюватиме механічним втратам. Віднімаючи механічні втрати з , отримуємо втрати потужності в сталі.

Рисунок 2.4 – Визначення механічних втрат та втрат потужності в сталі у досліді обертання асинхронної машини в режимі ненавантаженого двигуна