有两种类型的电机,即。静态电机(例如变压器)和旋转电机 (例如电动机和发电机)。所有的电机都不是理想的,因此它们会因效率低于 100% 而有一些损失。一般来说,我们会遇到三种流行的电机,即。变压器、直流电机(电机和发电机)和交流电机(电机和发电机),因此我们将一一讨论这些机器的损耗和效率。
直流电机的损耗可分为三类:
机器绕组中的电流会导致铜损。因此,在直流电机中,铜损为,
$$Armature\:Copper\:Loss=I_{a}^{2}R_{a}\:\:Watts$$
$$Shunt\:Field\:Copper\:Loss=I_{sh}^{2}R_{sh}\:\:Watts$$
$$Series\:Field\:Copper\:Loss=I_{se}^{2}R_{se}\:\:Watts$$
铜损是可变损耗,因为它们是绕组电流的函数。
铁损发生在直流电机的电枢中,并且是由于电枢在磁场中的旋转造成的。铁损有两种类型 -
滞后损失
磁滞损耗发生在直流电机的电枢中,因为电枢的任何部分在通过连续极下时都会受到磁场反转。实验发现,
$$Hysteresis\:Loss,P_{h}=K_{h}B_{max}^{1.6}fV\:\:Watts$$
在哪里,
K h是滞后系数,
B max是最大磁通密度,
f 是磁反转频率,
V是电枢的体积,单位为 m 3
为降低磁滞损耗,电枢铁芯采用硅钢等磁滞系数值较低的材料制成。
当电枢在磁场中旋转时,会在其中感应出 EMF,从而在电枢铁芯中产生涡流。由于这些涡流而产生的功率损耗称为涡流损耗。为了减少涡流损耗,电枢铁芯由薄叠片构成,这些叠片通过一层薄薄的清漆相互绝缘。所以,
$$Eddy\:Current\:Loss,P_{e}=K_{e}B_{max}^{2}f^{2}t^{2}V\:\:Watts$$
在哪里,
K e是比例常数,
B max是最大磁通密度,
f是磁通量的频率,
t 是每个叠片的厚度,
V是电枢铁芯的体积。
由于涡流和磁滞损耗的参数是恒定的,因此直流电机的铁损是恒定的损耗。
由于摩擦和风阻造成的损失称为机械损失。摩擦损失如轴承摩擦、电刷摩擦等,风阻损失如旋转电枢的空气摩擦。机械损耗发生在机器的运动部件中,并取决于机器的速度。
注 – 铁损和机械损失统称为杂散损失,即
Strey 损失 = 铁损 + 机械损失
变压器中的功率损耗有两种类型 -
铁损或铁损
铜损
铁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗,并且由于交流磁通而出现在变压器的铁芯中。变压器的铁损可通过开路试验确定。
$$Hysteresis\:Loss,P_{h}=K_{h}B_{max}^{1.6}fV\:\:Watts$$
$$Eddy\:Current\:Loss,P_{e}=K_{e}B_{max}^{2}f^{2}t^{2}V\:\:$$
还,
$$Iron\:or\:core\:Losses,P_{i}=P_{h}+P_{e}=Constant\:Losses$$
使用硅钢可以最大限度地减少磁滞损耗,而使用由薄叠片组成的磁芯可以减少涡流损耗。
由于其电阻,变压器的初级和次级绕组中会出现铜损。这些可以通过短路测试来确定。
$$Copper\:Losses,P_{cu}=I_{1}^{2}R_{1}+I_{2}^{2}R_{2}$$
旋转交流电机的损耗也与直流电机相同。这些损失可分为两类 -
定子铁损
摩擦和风阻损失
定子铜损
转子铜损
电机的效率定义为输出功率与输入功率的比值,即
$$效率,\eta=\frac{输出\:功率(P_{0})}{输入\:功率(P_{i})}$$
$$\because\:Input\:Power=Output\:Power+Losses$$
$$\thefore\:Efficiency,\eta=\frac{Output\:Power(P_{0})}{Output\:Power(P_{0})+Losses}=(1+\frac{Output\:Power (p_{0})}{损失})$$
复合长并联直流电机的电枢电阻为0.0858Ω。它的并联和串联场电阻分别为 60 Ω 和 0.06 Ω。电机消耗的总电流为 100 A。如果并联励磁电流和串联励磁电流为 2 A,则确定电机的总铜损耗。
解决方案-
电枢电流,
$$I_{a}=I_{r}+I_{sh}=100+2=102$$
因此,电枢铜损耗,
$$=I_{a}^{2}R_{a}=102^{2}\times\:0.0858=892.66\:W$$
串联场铜损耗,
$$=I_{se}^{2}R_{se}=I_{a}^{2}R_{se}=102^{2}\times\:0.06=624.24\:W$$
分流场铜损耗,
$$=I_{sh}^{2}R_{sh}=2^{2}\times\:60=240\:W$$
∴ 总铜损失,
$$P_{cu}=I_{a}^{2}R_{a}+I_{se}^{2}R_{se}+I_{sh}^{2}R_{sh}$$
⇒ 总铜损失,
$$P_{cu}=892.66+624.24+240=1756.9\:W$$
电力变压器的磁芯材料的磁滞系数为120 J/m 3,涡流损耗系数为250。其体积为10000 cm 3,最大磁通密度为1.18 Wb/m 2。核心由厚度为 8 毫米的薄叠片构成。如果交流电的频率为 50 Hz,总铁损是多少瓦特?
解决方案-
滞后功率损耗由下式给出,
$$P_{h}=K_{h}B_{max}^{1.6}fV$$
$$=120\times\:1.18^{1.6}\times\:50\times\:10000\times\:10^{-6}$$
$$=78.19\:W$$
并且,涡流损耗由下式给出,
$$P_{e}=K_{e}B_{max}^{2}f^{2}t^{2}V$$
$$=250\times\:1.18^{2}\times\:50^{2}\times\:(8\times\:10^{-3})^{2}\times\:10000\times \:10^{-6}$$
$$=0.557\:W$$
所以,
总磁芯损耗 = $78.19 + 0.557 = 78.747\:W$
在 25 kVA 变压器中,铁损为 250 W,满载铜损为 400 W。求在 0.8 功率因数滞后时满载时的效率。
解决方案-
满载输出,
$$P_{0}=25\times\:0.8=20\:kW$$
总满载损耗,
$$= 250 + 400 = 650 W = 0.65 kW$$
满载输入功率,
$$P_{i}= 20 + 0.65 = 20.65\:kW$$
因此,满载效率,
$$\eta=\frac{P_{0}}{P_{i}}\times\:100=\frac{20}{20.65}\times\:100=96.85\%$$