Одной из важнейших характеристик электрических машин является коэффициент полезного действия (КПД). КПД является отношением полезной мощности к потребляемой мощности и показывает насколько эффективно работает машина. Разница между потребляемой и полезной полностью образуется из-за различных потерь в электрической машине.
Все потери объединены в 5 групп: потери в железе статора, потери на трение, потери в обмотке статора, потери в обмотке ротора, добавочные потери. Потери в обмотке статора могут составлять до 35% от общего числа потерь. В обмотке ротора до 21%. Эти потери вызваны тепловыделением, скин-эффектом и другими причинами.
Поэтому материалам, из которых изготавливаются обмотки статора и ротора, предъявляются высокие требования, а именно к меди.
Медь — один из первых металлов, хорошо освоенных человеком. В основном благодаря доступности и низкой температуре плавления. В самородном виде этот металл встречается чаще золота, серебра, железа. Медь — это золотисто-розовый пластичный металл. На воздухе металл окисляется и покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ему интенсивный желтовато-красный оттенок.
Оксидная плёнка обеспечивает защиту от коррозии. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью. По электропроводности она уступает только серебру (Рисунок 1).
Благодаря своим свойствам медь и её сплавы наши широкое применения в различных областях промышленности. Прежде всего в электротехнической сфере. В частности, из этого материала изготавливают обмотки статоров и роторов электродвигателей.
Для электротехнической промышленности наиболее ценным является высокая электрическая проводимость меди (низкое удельное сопротивление).
В 1913 году международная электротехническая комиссия (IEC) установила сопротивление отожжённой меди 0,017241 Ом*мм²/м при 20°С. Государственный стандарт России устанавливает сопротивление меди 0,01707 Ом*мм²/м на катанку (ГОСТ 53803–2010) и 0,01724 Ом*мм²/м на проволоку (ГОСТ 434–78) при 20°С.
Чистая медь, обладающая наименьшим сопротивлением, слишком мягкая, её сложно перерабатывать в изделия.
Поэтому на этапе изготовления меди в неё добавляют различные примеси, чтобы скорректировать физические свойства до требуемых. При это практически любая примесь оказывает влияние на сопротивление меди.
Например, увеличение доли кислорода в меди на 0,01% приводит к росту сопротивления на 0,12%;
увеличение содержания сурьмы на 0,05% приводит к росту сопротивления на 0,15%. Получить медные катоды или проволоку высокой частоты достаточно сложно и дорого.
Поэтому были разработаны марки электротехнической меди. Для каждой марки определены максимальные концентрации примесей. Соответствие марок российских стандартов и зарубежных приведены в таблице 1.
Российский стандарт ГОСТ 434 на медную проволоку для электротехнических целей допускает использование меди не ниже марки М1. Эта марка обладает сопротивлением 0,01724 Ом*мм²/м, а, например, марка меди М2 имеет сопротивление 0,01 874 Ом*мм²/м (по данным Copper Development Association Inc.). Разница в сопротивлении марок М1 и М2 составляет 8,7%.
Применение провода из меди марки М2 и ниже для изготовления обмоток статора может привести к существенному изменению сопротивления, увеличатся потери в обмотках, добавочные потери, что приведёт к снижению КПД машины в целом. При постоянной нагрузке на электродвигатель снижение КПД приведёт к увеличению потребления электроэнергии и существенному росту эксплуатационных расходов. Если рассматривать конкретные цифры, то использование меди марки М2 для изготовления обмоток приводит к снижению КПД машины на 0,35%, при учёте роста только электрических потерь (I²R).
Рассмотрим несколько примеров:
Асинхронный электродвигатель мощностью 4000кВт имеет КПД 96%. При применении меди марки М2 для изготовления обмотки статора КПД снизится до 95,6%.
Казалось бы, небольшое снижение КПД, но оно может привести к существенной переплате за электроэнергию. При стоимости 5 рублей (0,7 $, 0,65 €) за 1 кВт*ч для такой машины потери за год составят почти 700 000,00 рублей (9 500,00 $, 9 000,00 €).
Синхронный электродвигатель мощностью 6300кВт имеет КПД 97,6%, с медью марки М2 КПД снижается до 97,3%, что в денежном выражении составляет более 1 000 000,00 рублей (14 $ 000,00, 13 € 000,00) ежегодно.
Для предприятий с обширными парками электродвигателей достаточно ощутимые потери, которых можно избежать, используя качественные материалы и контролируя поступающую продукцию.
Существует несколько способов контроля качества медного провода или катанки.
Первая методика основана на измерении сопротивления отрезка медного проводника и последующем расчёте удельного сопротивления. Полученное значение не должно превышать 0,017 241 Ом*мм²/м.
Вторая методика основана на спектрометрическом анализе образцов. При этом определяются доли всех примесей и устанавливается марка меди.