Номер 3, страница 191 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 5. Электромагнитные явления. Параграф 46. Производство и передача электрической энергии. Темы докладов - номер 3, страница 191.

Условие.

3. Как увеличить КПД электрической машины.

Решение.

Коэффициент полезного действия (КПД) электрической машины определяется как отношение полезной (выходной) мощности к затраченной (входной) мощности. Он выражается формулой:

$\eta = \frac{P_{полезная}}{P_{затраченная}} = \frac{P_{вых}}{P_{вх}}$

Также КПД можно выразить через потери мощности $P_{потери}$:

$\eta = \frac{P_{вх} - P_{потери}}{P_{вх}} = 1 - \frac{P_{потери}}{P_{вх}}$

Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо снижать суммарные потери мощности в машине. Потери можно разделить на несколько основных видов. Соответственно, для увеличения КПД нужно работать над снижением каждого вида потерь.

1. Снижение электрических (омических) потерь

Электрические потери, также известные как потери в меди, возникают из-за нагрева обмоток при прохождении по ним электрического тока (закон Джоуля-Ленца). Мощность этих потерь рассчитывается по формуле $ P_{эл} = I^2 \cdot R $, где $\text{I}$ – ток в обмотке, а $\text{R}$ – её сопротивление. Для их снижения применяют следующие методы:

• Использование материалов с низким удельным сопротивлением для обмоток, в основном меди высокой чистоты.
• Увеличение площади поперечного сечения проводников обмоток, что снижает их сопротивление ($ R = \rho \frac{L}{S} $).
• Оптимизация конструкции обмотки для уменьшения её длины.
• Применение эффективной системы охлаждения для поддержания низкой рабочей температуры, так как сопротивление проводников растет с температурой.

Ответ: Для снижения электрических потерь необходимо использовать проводники с низким сопротивлением (например, из чистой меди), увеличивать их сечение, оптимизировать длину обмотки и обеспечивать эффективное охлаждение.

2. Снижение магнитных потерь (потерь в стали)

Эти потери возникают в магнитопроводе (сердечнике) машины из-за его перемагничивания переменным магнитным полем. Они делятся на два типа:

• Потери на гистерезис: это энергия, затрачиваемая на преодоление "магнитной инерции" материала при изменении направления магнитного поля. Для их уменьшения используют магнитомягкие материалы с узкой петлей гистерезиса, например, электротехническую сталь с добавлением кремния.
• Потери на вихревые токи (токи Фуко): это токи, индуцируемые переменным магнитным полем в самом теле магнитопровода. Они вызывают нагрев. Для их снижения магнитопровод изготавливают не цельным, а шихтованным – набранным из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком или оксидной пленкой. Это многократно увеличивает сопротивление на пути вихревых токов и, соответственно, уменьшает их величину. Также помогает использование стали с высоким удельным электрическим сопротивлением.

Ответ: Для снижения магнитных потерь следует применять специальные электротехнические стали с узкой петлей гистерезиса, а магнитопровод выполнять шихтованным из тонких, изолированных друг от друга листов.

3. Снижение механических потерь

Механические потери вызваны трением в движущихся частях машины и сопротивлением воздушной среды.

• Потери на трение в подшипниках и щетках: Уменьшаются за счет применения высококачественных подшипников качения вместо подшипников скольжения, их правильной смазки и точной сборки машины. В машинах постоянного тока и коллекторных машинах переменного тока потери возникают из-за трения щеток о коллектор; использование современных композитных материалов для щеток может снизить эти потери. Переход к бесколлекторным (бесщеточным) двигателям полностью устраняет этот вид потерь.
• Вентиляционные потери: Это потери на преодоление сопротивления воздуха вращающимися частями (ротором, вентилятором). Их можно снизить путем оптимизации аэродинамической формы ротора и лопастей вентилятора системы охлаждения.

Ответ: Для снижения механических потерь необходимо использовать качественные подшипники, обеспечивать их смазку, применять современные материалы щеток (или использовать бесщеточные конструкции) и оптимизировать аэродинамику вращающихся частей.

4. Оптимизация режима работы

КПД электрической машины зависит от нагрузки. Как правило, максимальное значение КПД достигается при нагрузке, близкой к номинальной (обычно в диапазоне 75-100% от номинальной). Работа машины на холостом ходу или с очень малой нагрузкой, а также в режиме перегрузки, приводит к значительному снижению КПД. Поэтому для достижения максимальной эффективности важно правильно подбирать мощность машины под конкретную задачу и обеспечивать её работу в оптимальном режиме.

Ответ: Для повышения КПД следует эксплуатировать электрическую машину в режиме нагрузки, близком к номинальному, так как в этом диапазоне её эффективность максимальна.