三相交流发电机的损耗和效率
三相交流发电机的损耗
三相交流发电机中发生的损耗可分为以下四类 −
铜损
铁损或磁芯损耗
机械损耗
杂散负载损耗
阅读本节以了解有关三相交流发电机中发生的损耗类型的更多信息。
铜损
铜损发生在交流发电机的电枢绕组和转子绕组中，这是由于电流流过时它们会产生电阻。因此，这些损耗也称为 I2R 损耗。
铁或铁芯损耗
铁或铁芯损耗发生在铁部件中，例如交流发电机的定子铁芯和转子铁芯。这些损耗包括 磁滞损耗 和 涡流损耗。铁芯损耗的发生是因为交流发电机的各个铁部件受到变化的磁场的影响。
机械损耗
机械损耗发生在交流发电机的移动或旋转部件中，例如转子、轴、轴承等。机械损耗主要有两种类型，即 摩擦损耗 和 风阻损耗。摩擦损耗是由于交流发电机轴承的摩擦造成的，而风阻损耗是由于交流发电机旋转部件与交流发电机外壳内空气之间的摩擦造成的。
杂散负载损耗
此类别包括交流发电机中那些无法轻易确定的损耗。这些损耗也称为杂项损耗。杂散负载损耗可能由于以下原因引起−
由于电枢反应导致主磁场通量失真。
电枢导体横截面积上的电流分布不均匀。
在实际计算中，我们将杂散负载损耗取为满载损耗的 1%。
注意
铁损和机械损耗合称为旋转损耗，因为这些损耗是由于转子旋转而发生在交流发电机中的。
交流发电机中发生的所有这些损耗都转化为热量，导致温度升高，交流发电机效率降低。
三相效率交流发电机
交流发电机的输出功率与输入功率之比称为交流发电机的效率。效率通常以百分比表示。
$\mathrm{\mathrm{效率，} \: \eta \:=\:\frac{输出\:功率}{输入\:功率} imes 100\%\:=\:\frac{输出\:功率}{输出\:功率+损耗} imes 100\%}$
现在，我们将推导出三相交流发电机的效率表达式。为此，请考虑以滞后功率因数运行的三相交流发电机。
假设，
V= 每相端电压
Ia = 每相电枢电流
cos $\phi$ = 负载功率因数（滞后）
因此，三相交流发电机的输出功率由下式给出：
$$\mathrm{\mathit{P_{0}}\:=\:3\:\mathit{VI_{a}cos\:\phi }}$$
交流发电机的损耗为：
$$\mathrm{\mathrm{电枢铜损耗}\mathit{P_{cu}}\:=\:3\:\mathit{I_{\mathit{a}}^{\mathrm{2}}R_{a}}}$$
$$\mathrm{\mathrm{励磁绕组铜损耗}\:=\:\mathit{V_{f}I_{f}}}$$
其中，Vf 是励磁绕组两端的直流电压并且 If 是直流励磁电流。
$$\mathrm{\mathrm{旋转损耗}\mathit{P_{r}}\:=\:\mathrm{铁心损耗\:+\:机械损耗}}$$
$$\mathrm{\mathrm{杂散负载损耗}\mathit{P_{s}}}$$
$$\mathrm{ 因此\mathrm{交流发电机总损耗}\mathit{P_{loss}}\:=\:3\:\mathit{I_{a}^{2}R_{a}\:+\:P_{r}\:+\:P_{s}\:+\:V_{f}I_{f}}}$$
由于转子的转速是恒定的，因此旋转损耗是恒定的。励磁绕组铜损耗也是恒定的。如果我们假设杂散负载损耗是恒定的。然后，我们有，
$$\mathrm{\mathrm{总恒定损耗}\mathit{P_{c}}\:=\:\mathit{P_{r}\:+\:P_{s}\:+\:V_{f}I_{f}}}$$
$$\mathrm{因此\:\mathrm{可变损耗} \:=\:\mathrm{3}\mathit{I_{a}^{\mathrm{2}}R_{a}}}$$
因此，交流发电机的效率由以下公式给出：
$$\mathrm{\eta \:=\:\frac{\mathit{P_{0}}}{\mathit{P_{0}+\mathrm{Losses}}}\:=\:\frac{3\mathit{VI_{a}cos\phi }}{3\mathit{VI_{a}cos\phi \:+\:\mathrm{3}\mathit{I_{a}^{\mathrm{2}}R_{a}}\:+P_{c}}}\cdot \cdot \cdot (1)}$$
公式 1 可用于确定三相交流发电机的效率。
最大效率条件
当可变损耗等于恒定损耗时，交流发电机的效率将达到最大值，即，
$$\mathrm{\mathit{P_{c}}\:=\:3\:\mathit{I_{a}^{\mathrm{2}}R_{a}}\cdot \cdot \cdot (2)}$$
实际上，交流发电机的最大效率通常发生在满额定负载的 85% 左右。
数值示例
三相交流发电机的每相端电压为 230 V，每相电枢电流为 14.4 A。交流发电机电枢电路的电阻为 0.5Ω，恒定损耗为 200 瓦。如果交流发电机以 0.8 的滞后功率因数供电，计算其效率和最大效率。
解决方案
$$\mathrm{\mathrm{效率，}\eta \:=\:\frac{3\mathit{VI_{a}cos\phi }}{3\mathit{VI_{a}cos\phi \:+\:\mathrm{3}\mathit{I_{a}^{\mathrm{2}}R_{a}}\:+P_{c}}}}$$
$$\mathrm{\Rightarrow\:\eta \:=\:\frac{3 imes 230 imes 14.4 imes 0.8}{\left ( 3 imes 230 imes 14.4 imes 0.8 ight )\:+\:\left ( 3 imes 14.4^{2} imes 0.5 ight )\:+\:200}}$$
$$\mathrm{ 因此 \eta \:=\:0.9395\:=\:93.95\%}$$
为了使交流发电机效率最大化，
$$\mathrm{\mathit{P_{c}}\:=\:3\:\mathit{I_{a}^{\mathrm{2}}R_{a}}}$$
$$\mathrm{ 因此 \eta_{max} \:=\:\frac{3\mathit{VI_{a}cos\phi }}{3\mathit{VI_{a}cos\phi \:+\:\mathrm{2}\mathit{P_{c}}}\:=\:\frac{3 imes 230 imes 14.4 imes 0.8}{\left ( 3 imes 230 imes 14.4 imes 0.8 ight )\:+\:\left (2 imes 200 ight )}}$$
$$\mathrm{ 因此 \eta_{max} \:=\:0.9521\:=\:95.21\%}$$
